近日，東華大學(xué)王宏志教授課題組在可穿戴能源領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《兩棲能源紗線與紡織品的連續(xù)化與規(guī)；苽》(“Continuous and scalable manufacture of amphibious energy yarns and textiles”，DOI: 10.1038/s41467-019-08846-2)為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》(Nature Communications)。東華大學(xué)系論文第一完成單位，東華大學(xué)材料學(xué)院博士生龔維為第一作者，侯成義副研究員、張青紅研究員、王宏志教授為共同通訊作者。
隨著可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，人們對(duì)可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統(tǒng)電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、難以編織等局限性，柔性隨身能源材料與器件發(fā)展獲得了大量關(guān)注。目前可穿戴電源的研究多數(shù)展示了“佩戴”形式的能源器件，其主要作為服裝的附加品，仍缺乏穿著舒適性。相比之下，服裝本體是現(xiàn)成的物理載體，是更為理想的可穿戴功能集成平臺(tái)。鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為纖維、紗線、織物將成為新一代發(fā)電載體。然而，成熟的發(fā)電技術(shù)，如光伏、熱電、壓電/摩擦電等，與服裝材料和紡織工業(yè)的結(jié)合尚存在挑戰(zhàn)。目前能源紡織品難以規(guī)模化生產(chǎn)、能源器件的性能易受環(huán)境濕度影響，而且尚缺乏利用單根紗線實(shí)現(xiàn)發(fā)電的技術(shù)！澳茉匆隆钡拈_發(fā)仍任重道遠(yuǎn)。
在本工作中，研究人員利用工業(yè)級(jí)的紡絲設(shè)備實(shí)現(xiàn)了可拉伸摩擦發(fā)電紗線的連續(xù)化與規(guī)模化生產(chǎn)。此類發(fā)電紗線由高彈性聚合物材料（橡膠）與螺旋金屬纖維構(gòu)成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體通過(guò)皮芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合二為一，具有協(xié)同應(yīng)變行為。發(fā)電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應(yīng)變下，內(nèi)部?jī)深惒牧祥g發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，可產(chǎn)生毫瓦級(jí)的輸出功率。
發(fā)電紗線的紡制流程與實(shí)物照片
研究人員深入探討了金屬與非晶聚合物接觸/分離的單電極勢(shì)阱模型，發(fā)現(xiàn)非晶聚合物不僅作為隔離層防止紗線內(nèi)場(chǎng)電勢(shì)被外界環(huán)境氣氛（氣體、水等）消除，其界面的感應(yīng)電荷竟能夠與外界氣氛分子發(fā)生耦合增益，由此本工作中首次提出了摩擦發(fā)電器件的電勢(shì)/極化耦合效應(yīng)的假設(shè)。借助特殊的皮芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與耦合增益發(fā)電機(jī)制，本工作報(bào)道的發(fā)電紗線無(wú)需借助與其他物體的相互作用即可自發(fā)電，并能夠應(yīng)用于不同氣氛環(huán)境甚至是液體中。
單電極勢(shì)阱模型與耦合增益發(fā)電機(jī)制
研究人員使用工業(yè)級(jí)的織樣機(jī)將發(fā)電紗線進(jìn)行編織得到了具有彈性的發(fā)電織物，其同樣具有兩棲工作的能力。發(fā)電紗線亦可與其他市售纖維如尼龍纖維、聚丙烯腈纖維等共同編織，紡織品的透汽性、舒適性、發(fā)電功率便可有效調(diào)控。研究人員穿著發(fā)電織物制成的“能源衣”，展示了其為電子設(shè)備鋰電池充電、驅(qū)動(dòng)無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)、捕捉人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等功能。
發(fā)電織物的編織過(guò)程與可穿戴應(yīng)用演示
該研究工作得到了中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)學(xué)科交叉重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃等基金的大力資助。
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