一種基于隔熱紡織品(TI-textile)的TENG (TI-TENG)

熱管理博覽會

2024年1月4日 08:57

來源 | Nano Energy

背景介紹

戶外活動對人體健康至關(guān)重要，給人類的身心帶來諸多益處。一般來說，戶外運動愛好者在進行長期徒步旅行或其他體育活動時需要注意各種天氣問題(如雪、雨和風(fēng))。極端天氣條件很容易導(dǎo)致身體不適，體溫下降等問題。由于大多數(shù)電子可穿戴設(shè)備是由傳統(tǒng)電池供電的，它們不具有可持續(xù)性，并且不方便在戶外充電/維護。開發(fā)具有自供電傳感器的戶外可穿戴設(shè)備對于解決廢棄電池的不可持續(xù)性和潛在的環(huán)境污染問題非常重要。

在物聯(lián)網(wǎng)時代，摩擦納米發(fā)電機(TENG)將周圍隨機、無序、低頻的機械能轉(zhuǎn)化為電能，被認(rèn)為是解決能源供應(yīng)問題的極具前景的技術(shù)一些極端情況或環(huán)境中的問題。在TENG的輔助下，自供電的戶外可穿戴監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)并易于使用，這對于戶外愛好者從事長期徒步旅行或體育活動是非常必要的。在過去的幾年里，科學(xué)家們一直在努力提高TENG的輸出性能。

在已報道的可穿戴式TENG中，紡織式TENG可方便地用于人體運動監(jiān)測和供電，其靈活性、適用性、透氣性、可負(fù)擔(dān)性和可規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注。戶外服裝可以保護人體抵御寒風(fēng)，但它們的重量和厚度通常會導(dǎo)致長時間戶外活動不舒服。因此，在降低功能性戶外服裝的重量/厚度的同時，提高其保溫性能是十分重要的。到目前為止，關(guān)于這一點的功能性戶外服裝的研究還很缺乏，特別是結(jié)合紡織品TENG的具有能量收集能力和交互性應(yīng)用的智能戶外服裝。

成果掠影

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和孫其君研究員團隊展示了一種基于隔熱紡織品(TI-textile)的TENG (TI-TENG)，它由多個功能層組成，包括關(guān)鍵的摩擦電氣化層、鍍銀尼龍電極、防風(fēng)外層紡織品和內(nèi)層紡織品襯里。通過材料改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以提高TI-TENG的摩擦輸出性能。制備的TI-TENG被證明具有多功能(例如，隔熱和抗菌性能)和智能(例如，傳感和能量收集功能)。此外，利用TI-TENG作為自供電可穿戴傳感器和人機交互界面，開發(fā)了一種智能人體運動監(jiān)測和戶外無線信號傳輸系統(tǒng)，可在戶外活動中一鍵呼叫緊急救援。TI-Textile的大規(guī)模生產(chǎn)也為TENG提供了巨大的商業(yè)潛力，為多功能可穿戴設(shè)備的自供電傳感、能量收集和人機交互提供了新的研究方向。研究成果以“Thermal insulating textile based triboelectric nanogenerator for outdoor wearable sensing and interaction”為題發(fā)表于《Nano Energy》。

圖文導(dǎo)讀

圖1.TI-TENG的應(yīng)用場景、結(jié)構(gòu)和性能。(a)保溫服的應(yīng)用場景及組成。(b) TI-TENG的示意圖演示。(c, d) TI-Textile的SEM圖像。比例尺:1mm和100μm。(e) 去離子水落在TI-Textile表面前后的水滴。(f) TI-Textile批量化生產(chǎn)的照片。(g)各種樣品在65℃露天熱板上的表面溫度變化。(h) I)不同樣品放置在手掌上的紅外攝像機熱像圖; II)樣品的照片圖像。(II) TI-Textile的隔冷性能照片。(j) TI-Textile對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌性能。(①和②聚酯纖維下的菌落培養(yǎng)，③和④TI-Textile下的菌落培養(yǎng)）。(k)佩戴隔熱護帶的照片。

圖2. TI-TENG的工作原理和輸出性能。多層TENG結(jié)構(gòu)示意圖:(a)基本的TI-TENG結(jié)構(gòu);(d)用防風(fēng)/防水/防雪織物和織物內(nèi)襯包覆的TI-TENG。多層垂直接觸分離方式的工作原理示意圖:(b) TI-TENG的基本結(jié)構(gòu);(e) TI-TENG包覆在防風(fēng)/防水/防雪織物和織物內(nèi)襯里。(c)不同接觸頻率(1 ~ 5 Hz)下，基本結(jié)構(gòu)TI-TENG和防風(fēng)/防水/防雪織物和織物內(nèi)襯TI-TENG的ISC、VOC和QSC。

圖3. 水洗性，長期穩(wěn)定性，拉伸性，以及TI-TENG的多層性能。TI-TENG的長時間水洗性能:(a)開路電壓，(b)短路電流，(c)轉(zhuǎn)移電荷。不同摩擦次數(shù)(原始、1000次、2000次、4000次)下TI-TENG的(d)電壓、(e)功率、(f)電流對比。(g) TI-Textile在各方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同拉伸條件下(接觸分離頻率為2hz)的輸出特性:(h)轉(zhuǎn)移電荷和(i)開路電壓。(j)接觸分離頻率為1Hz時有多層TI-Textile組成的TI-TENG的ISC、VOC和QSC。TI-Textile在（k）45℃和（l）65℃露天熱板上的不同層的表面溫度。

圖4. 用于生理健康監(jiān)測的汗液傳感器。(a) TI-Textile吸收汗液的過程。(b) 不同濃度NaCl溶液浸泡干燥TI-Textile的EDS圖譜，比尺為100μm。(c) 根據(jù)濃度增加的動態(tài)瞬時電壓響應(yīng)。(d) 用去離子水和各種濃度的NaCl溶液(0.001-1mol/L)浸泡干燥的TI-Textile的輸出電壓。(e)對浸沒在少量和多量汗液中的干燥TI-Textile進行實時監(jiān)測。(f) TI-Textile浸泡在NaCl溶液干燥過程中表面離子動態(tài)變化過程示意圖。

圖5. 人體生理信號的監(jiān)測。(a)壓力傳感器示意圖演示。(b)在不同壓力下，TI-TENG的電輸出。(c) TI-TENG的輸出電壓作為加載壓力變化的函數(shù)。（d）TI-TENG對手臂彎曲角度的實時監(jiān)測，插圖表現(xiàn)為不同的運動狀態(tài)。（e）手腕彎曲30°、45°、60°和90°處的響應(yīng)輸出信號。（f）當(dāng)測試者抬腿時，在臀部采集的TI-TENG輸出信號。（g）將TI-TENG安裝在腰部測量腰部運動時的電壓響應(yīng)。（h）手肘彎曲30°、45°、60°、90°和120°的輸出信號。（i）膝關(guān)節(jié)彎曲30°、45°、60°、90°和120°處的響應(yīng)輸出信號。

圖6. 戶外交互式應(yīng)用的示范。(a)實時安全監(jiān)控和智能戶外救援系統(tǒng)示意圖。(b)意外摔倒時產(chǎn)生的電信號。(c)戶外救援系統(tǒng)的具體功能的照片。(d) TI-TENG無線音樂播放系統(tǒng)。(e)手指觸摸時的電信號輸出。(f)戶外音樂播放器通過手指觸發(fā)TI-TENG。