智能纺织品新进展 | 智能纺织品系统的组成及特性 —— 能量收集及储存器件

智能纺织品新进展 | 智能纺织品系统的组成及特性 —— 能量收集及储存器件

智能纺织品作为纺织行业与电子科技的跨界融合产物，正在以惊人的速度改变着我们的生活。其中，能量收集及储存技术是智能纺织品实现持续稳定工作的关键。本文将为您详细介绍智能纺织品中能量收集及储存器件的最新进展，包括储能纺织器件和能量收集纺织器件的工作原理、应用现状及未来发展方向。

储能纺织器件

柔性电池和超级电容器是目前柔性储能设备领域中研究最为广泛的两种纺织器件。其中，锂离子电池具有较高的能量密度和工作电压，但其在外力作用下易发生电极材料脱落、电解质漏液和短路等安全问题；超级电容器通过非法拉第反应和快速可逆的法拉第反应相结合的工作机制，实现了较高的功率密度和优异的安全性。

图1 纺织基柔性储能器件

纺织材料具有天然的柔性、优异的机械力学性能以及较大的比表面积，能够承受多向弯曲折叠作用，并且可被裁剪成任意尺寸和形状，因而被认为是柔性储能设备的一种理想基材。现阶段的纺织基超级电容器已具备轻质、功率密度大、循环寿命长、热稳定性及环境稳定性好等特点，但仍存在体积比电容较低、能量密度较低、自身压降较大以及封装困难等问题。

能量收集纺织器件

能量收集技术是一项绿色、可持续的技术，其通过将环境能量（太阳能、风能、热能、机械能、电磁能等）转化为电能，为物联网时代的可穿戴电子产品提供无处不在、环保、可持续的能源解决方案。人体及其周围环境存在多种可转化为电能的能量，包括生物力学运动能、体热、生物流体化学能和太阳能等。

图2 能量收集纺织器件示意图

纳米发电机作为一种新型的自供电装置，通过将柔性纺织材料与纳米发电机结合获得纺织基纳米发电机，既保留纺织品的基本特性，同时又增加了纳米发电机的自供电功能，是当前研究的热点方向之一。目前，已经研制出基于压电式、摩擦式、热释电式、光电式的四种发电机。

纺织基摩擦式纳米发电机

纺织基摩擦纳米发电的本质是具有不同电子亲和力的两种不同材料之间的物理接触，在接触表面产生相反的静电荷，由外部机械力产生的间隙或扰动可以在两个带电表面之间建立电位差，从而产生电压和极化感应电流。将环境机械运动转化为电能，既可以作为可持续能源，也可以作为自供电的主动传感器。目前，纺织摩擦纳米发电机（TENGs）制造技术主要有层堆叠、纱线交叉和3D打印3种。采用的摩擦电材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、涤纶（PET）、锦纶6（PA6）、聚四氟乙烯（PTFE）等，电极材料包括铜、银、镍等金属或碳系纺织材料，功率密度可达到2 W/cm2。

纺织基压电式纳米发电机

纺织基压电发电的本质是在某些类型的材料中，内部正负电荷中心响应施加的机械应力而移动，从而产生内部电场。将压电材料与纺织品集成在一起，可用于人体运动等机械能收集。自1880年首次发现直接压电效应以来，已有大量的压电材料被报道，包括有机物，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、偏氟乙烯－共三氟乙烯(PVDF－TrFE)，以及无机物，如氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡（BaTiO3）。根据设备结构和制备工艺，纺织压电器件可采用多层堆叠和纱线交叉两种方法实现。除了常用的静电纺丝工艺外，也有研究关注采用热牵伸纺丝工艺制备具有压电效应的长丝。

纺织基热释电式纳米发电机

热能作为生活中最为普遍的能源。在可穿戴领域，可以利用智能纺织品从体热中获取能量。与需要身体运动的间歇性生物机械能相比，体热即使在静止的情况下也持续存在于人体中。一个成年人每天释放的体热可以达到大约100～525 W。有两种工作机制可以用来收集人体热能，包括利用时间温差和空间温差的热释电效应。虽然人体表温度随时间变化不大（保持在33.5 ℃左右），但成年人与环境之间的空间温度差能产生高达10 mW/cm2的热流，此时热电效应发挥了优势。纺织热电器件通常依赖于两种结构，即作为基材的纺织品和作为构建单元的纱线。在纺织基材上建造热电器件是收集人体热能的有效途径。纺织材料不仅表现出良好的顺应性，能够有效地与弯曲的皮肤接触以吸收热量，而且还具有低导热系数。纺织基热电单元由于隔热和相对符合人体皮肤而显示出许多引人注目的特征。

纺织基光电式纳米发电机

太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，是目前技术最为成熟的能量收集装置。柔性纺织基太阳能电池因其独特的纺织结构，可直接与纺织服装面料通过纺织技术集成，真正做到一体成型，从而提供最佳的舒适性与功能性。柔性纺织基太阳能电池的转换效率在0.1%～5%。相对而言，硅基太阳能电池的效率要高得多（10%～20%）。制造柔性纺织基太阳能电池的方法一般分为2种：一是直接制备纤维状太阳能电池，再利用纺织技术进行织造，从而制备纺织结构太阳能电池；二是以纺织材料作为基板，直接制得织物太阳能电池。织物基平面太阳能电池的制备工艺相对成熟，许多工艺都可以将太阳能电池融入到纺织品涂层中。目前，研究人员也面临着如何将组成太阳能电池（底部电极、光伏层和顶部电极）的微米尺度晶圆薄层应用到粗糙的织物上。相较于平面状太阳能电池，柔性纤维状太阳能电池突破了基底的限制，具有质量轻、可弯折等特点，更加贴合可穿戴电子设备的要求，是目前纺织基太阳能电池的研究重点，然而柔性纤维状太阳能电池还需取得技术突破才能采用机织或针织等传统纺织技术进行织造。

近年来，越来越多学者开始关注无线射频能量收集技术。能量收集装置的天线通过电磁耦合技术接收电磁能，并在天线中产生交流电；整流器将交流电转换为直流电，直接供传感节点使用或将电能储存到超级电容器中。能量收集天线要求具有宽带宽和高增益的特点。虽然织物基射频能量收集系统的输出功率可达毫瓦级别，高于LED灯的功耗，但其输出功率仍无法满足耗能巨大的智能纺织品（如电加热织物和发热内衣等）的需求。此外，现有研究较少评价系统的环境适应性，织物基射频能量收集系统的柔性与性能稳定性间存在矛盾，两者的取舍平衡是一大难点。通过天线结构设计及新型纺织材料研发，尺寸小、成本低、抗干扰能力强、损耗小、输出功率大的织物基射频能量收集系统是未来研发的重点。

图3 射频能量收集系统及圆极化天线

综上所述，虽然纺织基能量储存和收集器件的研究日益增多，性能不断优化，但仍面临着一系列的挑战，比如储能密度和能量转换效率低、成本高且无法大规模生产、耐用性差等，离实际应用还有很远的距离。