可拉伸摩擦發電紗線
關注創建者：葉零01 創建時間：2019-02-26
可拉伸摩擦發電紗線的實例教程
該電子皮膚是基于摩擦納米發電效應，將三束扭轉的導電尼龍紗線組成的平面紗線導電網絡埋入到硅膠彈性體中，實現機械能采集和多功能壓力信號傳感。
在過去的幾十年里，柔性可穿戴設備蓬勃發展，相關產品也不斷涌現，如智能傳感器集成電子皮膚、植入裝置、機器人電子裝置等。可穿戴設備產品所要求的特點除了其與人體的機械順應性、輕巧、能耗低、美觀性之外，還應考慮到這些產品的供電問題。柔性可穿戴能源設備，一直是科研人員的研究熱點。
近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）孫旭輝教授研究團隊提出了一種基于褶皺結構PEDOT:PSS薄膜電極的可拉伸摩擦納米發電機（WP-TENG）。該WP-TENG利用彈性PDMS作為器件的摩擦起電材料，用褶皺狀的PEDOT:PSS薄膜作為感應起電電極材料，由此制得的透明可拉伸納米發電機同時具備生物機械能收集、觸覺傳感和人體運動監測等功能。
圖a為器件的制備過程圖，圖b為褶皺狀PEDOT:PSS導電膜，圖c為不同厚度導電膜光透過率，圖d為該導電膜在不同拉伸條件下方阻
該WP-TENG通過預拉伸彈性PDMS膜作為摩擦層，再旋涂導電高分子PEDOT:PSS薄膜作為電極層，釋放拉伸后形成褶皺狀可拉伸器件。該褶皺狀電極的透明度可根據刮涂的層數不同而發生改變，最佳透光率可達到90%。經測試，拉伸應變從0變化到100%的過程中，褶皺狀電極的方阻可從1.40增大到4.63 kΩ·sq-1，而同等拉伸情況下無褶皺的薄膜會增大到22.9 kΩ·sq-1，因此，該褶皺設計增強了薄膜在拉伸過程中的導電性和穩定性。
圖a為WP-TENG的器件實物圖，圖b為WP-TENG的發電機理圖，圖c為WP-TENG的電輸出圖，圖d為WP-TENG使用時的電路示意圖，圖e為WP-TENG在手拍的運動條件下的充放電曲線圖，圖f為WP-TENG將電能存儲于電容器后驅動電子手表的照片。
作為生物機械能收集裝置，WP-TENG可以將機械能轉化為電能。
展開 能源紗線的光學顯微照片
【成果簡介】
近日，東華大學王宏志教授課題組在可穿戴能源領域取得新進展，相關研究成果以《兩棲能源紗線與紡織品的連續化與規模化制備》(“Continuous and scalable manufacture of amphibious energy yarns and textiles”)為題發表于國際知名學術期刊《自然?通訊》(Nature Communications)。東華大學系論文第一完成單位，東華大學材料學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。
隨著可穿戴電子設備的快速發展，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統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展獲得了大量關注。目前可穿戴電源的研究多數展示了“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，服裝本體是現成的物理載體，是更為理想的可穿戴功能集成平臺。鑒于此，研究團隊認為纖維、紗線、織物將成為新一代發電載體。然而，成熟的發電技術，如光伏、熱電、壓電/摩擦電等，與服裝材料和紡織工業的結合尚存在挑戰。目前能源紡織品難以規模化生產、能源器件的性能易受環境濕度影響，而且尚缺乏利用單根紗線實現發電的技術。“能源衣”的開發仍任重道遠。
基礎研究與工程化技術開發“兩開花”
在本工作中，研究人員利用工業級的紡絲設備實現了可拉伸摩擦發電紗線的連續化與規模化生產。此類發電紗線由高彈性聚合物材料（橡膠）與螺旋金屬纖維構成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體通過皮芯結構的設計合二為一，具有協同應變行為。發電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應變下，內部兩類材料間發生電子轉移，可產生毫瓦級的輸出功率。
展開 導讀
近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。
不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院、臺灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，利用了摩擦電，開發出一種輕量的、剪紙式樣裝置，采集來自人體運動的能量。
（圖片來源：美國化學會）
其中的核心技術就是：摩擦電納米發電機（TENG）。它能夠采集我們四周的機械能為電子設備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發電機，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機充電。
接下來，簡單介紹一下TENG 的發電原理：在TENG 的內部電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。
然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發電機的可行性和實用性。之后，筆者在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國三星綜合技術研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和便攜式電子設備的能耗需求。
（圖片來源：參考資料【2】）
創新
近日，美國克萊姆森大學納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標又更近了一步。
展開 【引言】
柔性電子器件，例如可穿戴器件、電子皮膚和智能傳感器等，由于其獨特的柔性以及高效、低成本制造工藝受到了各界的矚目。為了實現全面的柔性，柔性的儲能系統不可或缺。在各種儲能裝置中，鋰離子電池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循環性是便攜式電子產品的最佳選擇之一。然而，傳統LIB是剛性的，難以與柔性電子器件兼容。因此，應優化集電器、電解液和包裝，以符合柔性器件的需求。最近，摩擦納米發電機(TENGs)因其收集機械能并將其轉化為電能而備受關注。TENG可以從日常人體運動中獲取能量，為LIB等儲能設備提供能量。研究人員已經將TENG與各種儲能裝置集成以形成自供電系統。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、孫春文研究員、西班牙馬德里材料研究所José Antonio Alonso教授(共同通訊作者)等將柔性摩擦納米發電機(TENG)與柔性電池集成構筑可穿戴的自充電電源組，并在Nano Energy上發表了題為“Structural and Electrochemical Properties of LiMn0.6Fe0.4PO4 as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究論文。作者首先通過中子粉末衍射(NPD)技術研究了Fe摻雜對LiMnPO4(LMP)結構的影響。所制備的LiMn0.6Fe0.4PO4/碳(LMFP/C)材料在1C的電流密度下顯示出90 mAh·g-1的較高比容，是LiMnPO4/C的約5倍，其具有1000次循環以上的出色循環性能。
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可拉伸摩擦發電紗線的最新內容
兩種材料之間存在動態接觸時會產生電荷轉移，基于該種動態接觸的摩擦納米發電機（TENG）可以收集環境中的機械能。TENG器件已經被廣泛研究并被用于為無線探測器、可穿戴電子電路以及充電儲能器件提供電能。然而，傳統TENG器件大多輸出交流電流，且電流較小，需要額外整流設備才能轉換成直流信號。這使得具有高電流輸出特性的直流摩擦納米發電機
基礎研究與工程化技術開發“兩開花”
在本工作中，研究人員利用工業級的紡絲設備實現了可拉伸摩擦發電紗線的連續化與規模化生產。此類發電紗線由高彈性聚合物材料（橡膠）與螺旋金屬纖維構成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體通過皮芯結構的設計合二為一，具有協同應變行為。發電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應變下，內部兩類材料間發生電子轉移，可產生毫瓦級的輸出功率。
【引言】
通過功能性電子器件來模擬人類皮膚的基本特征是發展智能技術的重要一步，近年來具有類人類感知能力的人工皮膚成為一個重要的研究方向，而其中電子皮膚的研究更吸引了廣泛的研究興趣。電子皮膚需要覆蓋動態且不規則的表面，而且能夠承受多種重復、長時間的機械刺激（比如壓力、應變和彎曲等）。作為多功能傳感器，還要滿足高拉伸性、高靈敏度、寬感應范圍以及快速響應的要求
【引言】
柔性電子器件，例如可穿戴器件、電子皮膚和智能傳感器等，由于其獨特的柔性以及高效、低成本制造工藝受到了各界的矚目。為了實現全面的柔性，柔性的儲能系統不可或缺。在各種儲能裝置中，鋰離子電池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循環性是便攜式電子產品的最佳選擇之一。然而，傳統LIB是剛性的，難以與柔性電子器件兼容。因此，應優化集電器、電解液和包裝
在過去的幾十年里，柔性可穿戴設備蓬勃發展，相關產品也不斷涌現，如智能傳感器集成電子皮膚、植入裝置、機器人電子裝置等。可穿戴設備產品所要求的特點除了其與人體的機械順應性、輕巧、能耗低、美觀性之外，還應考慮到這些產品的供電問題。柔性可穿戴能源設備，一直是科研人員的研究熱點。
近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）孫旭輝教授研究團隊提出了一種基于褶皺結構PEDOT:PSS薄膜電極的可拉伸摩擦納米發電機
導讀
近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。
不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院
