基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展

李兆彤 呂麗華

（大連工業(yè)大學(xué)，遼寧大連， 116034）

隨著5G信息時(shí)代的到來(lái)，人工智能和無(wú)線傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展，便攜式電子設(shè)備成為時(shí)代的標(biāo)志，滲透于生活的方方面面。這些電子產(chǎn)品的運(yùn)行通常需要強(qiáng)大的電力支持，傳統(tǒng)的鋰電池、鉛酸電池等存在體積大、充電頻率高、污染環(huán)境等缺陷，與綠色環(huán)保、持續(xù)穩(wěn)定、柔性便攜的理念相悖。FAN F R等［1］于2012年提出了一種新的能量收集和自供電傳感技術(shù)——摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，TENG）。TENG是以麥克斯韋位移電流為驅(qū)動(dòng)力，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，具有替代重復(fù)更換電池的潛力。TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功率密度高，質(zhì)量輕，成本低且環(huán)保，在低頻時(shí)表現(xiàn)出較好的電輸出性能［2］，其可以不受氣候條件和工作環(huán)境的限制而高效率持續(xù)地運(yùn)行。如WU J P等［3］通過(guò)聚乙烯醇-聚四氟乙烯復(fù)合膜和工業(yè)吸油紙制備的TENG可以在強(qiáng)堿溶液中連續(xù)浸泡72 h；JING Z等［4］提出的仿生魚(yú)狀結(jié)構(gòu)三維全封閉摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了在低流速、淺水域環(huán)境下的零水頭發(fā)電。而基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有更廣闊的應(yīng)用空間，其兼具紡織品的透氣性、可洗性、柔韌性等優(yōu)點(diǎn)和TENG的能量收集、多功能傳感能力［5］。如ZHAO Z等［6］使用兩種 紗 線 進(jìn) 行 編織，每個(gè)紗線縱橫交叉點(diǎn)處都能產(chǎn)生摩擦電荷，通過(guò)將TENG集成到胸帶中可以監(jiān)測(cè)人的呼吸頻率和深度。

本研究介紹了TENG的工作原理和理論模型，重點(diǎn)從紡織結(jié)構(gòu)的角度綜述了平面結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)TENG的研究進(jìn)展，并對(duì)三維TENG的潛在應(yīng)用進(jìn)行概述，最后展望了TENG的未來(lái)發(fā)展。

1 TENG的工作原理與理論模型

1.1 工作原理

TENG的工作原理是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合，將兩種電子親緣不同的材料摩擦接觸產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能［7］。當(dāng)兩種材料在外力作用下發(fā)生接觸時(shí)，兩個(gè)接觸面的原子間距較正常鍵長(zhǎng)小，原子間的勢(shì)壘降低，處于排斥力范圍內(nèi)的兩個(gè)原子之間的強(qiáng)電子云重疊，原子之間形成電子躍遷，從而在兩個(gè)材料的表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，即摩擦起電。當(dāng)外力被卸載時(shí)，兩種摩擦材料發(fā)生分離，基于靜電感應(yīng)會(huì)在相對(duì)應(yīng)的電極中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差，驅(qū)動(dòng)電子在外電路中移動(dòng)，形成電流。

1.2 理論模型

根據(jù)極化方向的變化和電極結(jié)構(gòu)，TENG的工作模式分為垂直接觸分離模式、橫向滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立層模式［8］。

2 基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)

基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)從纖維到紗線、織物，均可以作為T(mén)ENG的摩擦材料，收集周?chē)臋C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能使用。利用纖維或紗線良好的拉伸性能和斷裂強(qiáng)度，可以賦予基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)較強(qiáng)的抗機(jī)械變形能力、柔軟性和可水洗性，為復(fù)雜、非平面形狀的可穿戴電子產(chǎn)品提供電力，解決不斷更換電池的困擾。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可劃分為平面結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，即2D-TENG和3D-TENG。

2.1 2D-TENG

TENG作為新興的動(dòng)力來(lái)源，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池和超級(jí)電容器，為器件提供可持續(xù)的能源。柔性的TENG常以復(fù)合薄膜制成平面結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，或?qū)?dǎo)電和介電纖維加工成織物，通過(guò)紗線間的接觸產(chǎn)生摩擦電荷，常作為電子皮膚、觸覺(jué)傳感器和可穿戴式顯示器等。

CAO Y等［9］開(kāi)發(fā)了一種全紡織TENG；該器件由3層織物組成，分別是硅涂層紗線編織的彈性導(dǎo)電織物作為負(fù)摩擦層和電極，蠶絲織物作為正摩擦層，導(dǎo)電織物作為第二電極。YANG C R等［10］制備了4種形態(tài)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦層，分別為扁平PDMS、粗糙PDMS、多孔PDMS和含氧化石墨烯（GO）的PDMS，鎳、銅線與滌綸共混制備的導(dǎo)電織物作為電極層，兩者搭配實(shí)現(xiàn)織物型TENG。張瑤等［11］運(yùn)用空氣壓縮原理和TENG的工作原理，設(shè)計(jì)了一種氣囊式可穿戴摩擦電傳感器。選用PDMS作為密封材料，錦綸織物為基底材料和正摩擦材料，聚氨酯（PU）為負(fù)摩擦材料，導(dǎo)電銀漿為電極，聚酰亞胺（PI）薄膜作為增強(qiáng)層置于負(fù)摩擦層與電極層之間。通過(guò)氣囊密封結(jié)構(gòu)，確保內(nèi)部工作環(huán)境穩(wěn)定，降低環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)TENG發(fā)電性能的影響。

2D-TENG的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易與現(xiàn)有的紡織加工技術(shù)結(jié)合，在有關(guān)智能紡織品方面的研究中很受歡迎。但是其無(wú)論是作為能量收集的紡織品還是自供電傳感器，都存在著一定的缺陷。第一，選擇織物作為摩擦層的TENG，由于其輸出功率低，常采用多層堆疊的方法來(lái)提高性能，造成器件厚重和收集能量過(guò)程復(fù)雜；第二，大多數(shù)織物需要兩種或兩種以上材料進(jìn)行接觸才能發(fā)電；第三，選擇涂層、改性等方法會(huì)降低織物的拉伸性、透氣性和柔韌性，如果涂敷的材料不合適還會(huì)造成涂層脫落和彎折處斷裂，影響TENG的穩(wěn)定性［12］。因此，需要一種更合適的方法來(lái)擴(kuò)展TENG在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2 3D-TENG

為了進(jìn)一步提高基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能，3D紡織結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用。與平面結(jié)構(gòu)不同的是，3D結(jié)構(gòu)是通過(guò)在厚度方面增加層數(shù)，為摩擦層提供更大的接觸分離空間，使TENG具有良好的層間性能和可設(shè)計(jì)性能，從而實(shí)現(xiàn)智能織物的一體化和多領(lǐng)域應(yīng)用。

CHEN C等［13］利用雙針床橫機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種三維雙面互鎖織物摩擦納米發(fā)電機(jī)（3DFIFTENG）。該器件無(wú)需附加電極，通過(guò)施加外力進(jìn)行彎曲或拉伸即可進(jìn)行發(fā)電。在作為檢測(cè)手臂彎曲程度的傳感器和稱重緩沖傳感器時(shí)均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。DONG K等［14］采用三維五向編織（3DB）結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種具有高柔韌性、形狀適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)完整性、循環(huán)水洗性和優(yōu)異穩(wěn)定性的基于TENG的電子織物。選擇以聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆的鍍銀錦綸紗線作為編織紗，多軸纏繞紗為軸向紗，兩者之間形成大量的空間框架-柱結(jié)構(gòu)，增大了接觸分離空間。在頻率為3 Hz、作用力20 N條件下，有90 V的開(kāi)路電壓和26 W/m3的峰值功率密度。

DONG K等［15］開(kāi)發(fā)了一種具有三維正交結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（3DOW-TENG），用于收集機(jī)械能。該器件在3 Hz頻率下最大峰值功率密度可達(dá)263.36 mW/m2，是平面結(jié)構(gòu)TENG的數(shù)倍。LIU L等［16］設(shè)計(jì)了一種柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)織物，該織物的特點(diǎn)是通過(guò)紡織品的三維滲透結(jié)構(gòu)為摩擦層提供足夠按壓和釋放的彈性空間，且負(fù)摩擦層PDMS表面的金字塔結(jié)構(gòu)，增大了摩擦接觸面積，進(jìn)而提高輸出功率。

基于紡織結(jié)構(gòu)的3D-TENG擴(kuò)大了織物幾何空間尺寸，無(wú)需添加彈簧、海綿等間隔材料，整個(gè)織物結(jié)構(gòu)形成一體，在保持柔韌性和可穿戴性的同時(shí)，使織物在較小的尺寸范圍內(nèi)有更大的輸出功率，彌補(bǔ)了平面結(jié)構(gòu)TENG的不足。同時(shí)，通過(guò)選用合適的摩擦材料或涂覆紡織助劑，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)上下層的摩擦電荷轉(zhuǎn)移量，為3DTENG提供多個(gè)適用場(chǎng)景。

3 3D-TENG的潛在應(yīng)用

TENG是繼電磁感應(yīng)式、壓電式、靜電式機(jī)械能裝置后一種全新的能量轉(zhuǎn)換器件，為高效利用機(jī)械能帶來(lái)新方法。3D-TENG以其結(jié)構(gòu)完整性、尺寸穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)空間大和高防護(hù)性，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備、健康管理等場(chǎng)景中。本研究主要從3D-TENG作為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和觸覺(jué)傳感器兩方面歸納和總結(jié)目前已有的應(yīng)用情況。

3.1 作為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

人體時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，伴隨著運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，心率、血壓和呼吸頻率等時(shí)刻在變化。常見(jiàn)的是使用血壓計(jì)對(duì)人體健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但其存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不穩(wěn)定和舒適性差的缺點(diǎn)。基于紡織結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)展為醫(yī)療科技領(lǐng)域帶來(lái)了有效的解決辦法。

ZHU M等［17］利用兩種具有不同摩擦極性的聚合物之間的接觸帶電，設(shè)計(jì)了3D針織間隔織物TENG。將該織物作為鞋墊，在為人體行走提供舒適性的同時(shí)，還可以有效收集運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能。通過(guò)分析開(kāi)路電壓和短路電流的變化曲線，可以準(zhǔn)確反映人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，該智能織物成功地實(shí)現(xiàn)了人體行走過(guò)程中足部壓力的原位傳感功能。何恩芳［18］制備了一種三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)織物，將其與傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊集成為一個(gè)自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款安全信號(hào)地毯。通過(guò)監(jiān)測(cè)人體在地毯上行走路線與設(shè)定路線是否一致，從而保證訪問(wèn)安全性，防止外來(lái)入侵，該智能織物對(duì)人機(jī)交互的應(yīng)用具有重要意義。

3.2 作為自驅(qū)動(dòng)觸覺(jué)傳感器

觸覺(jué)傳感器以壓力傳感器和形變傳感器為主，將外界刺激引起的形變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量和表征。在使用過(guò)程中有一個(gè)重要問(wèn)題就是電源供應(yīng)，電池的尺寸、質(zhì)量和硬度限制了它們?cè)谥悄芟到y(tǒng)的微納柔性電子設(shè)備中的應(yīng)用，而基于TENG的傳感器可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。

WANG J等［19］設(shè)計(jì)了由多孔柔性層（PFL）和防水柔性導(dǎo)電織物（WFCF）組成的耐濕性和可拉伸單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)織物（PFL@WFCFTENG）。基于PFL的三維結(jié)構(gòu)，PFL@WFCFTENG的最大輸出功率密度達(dá)631.5 mW/m2，且在相對(duì)濕度80%的條件下保持穩(wěn)定的輸出。結(jié)合微電子模塊，可作為便攜可穿戴的自供電觸覺(jué)控制器，控制燈的開(kāi)關(guān)、電子徽章的顯示、加濕器的噴霧頻率和開(kāi)關(guān)，為開(kāi)發(fā)高濕度環(huán)境下具有高電輸出的可穿戴電子設(shè)備提供了可行的解決方案。

4 結(jié)語(yǔ)

TENG作為一項(xiàng)革新技術(shù)，憑借其靈活多變的結(jié)構(gòu)可以收集各種形式機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或電能。其應(yīng)用前景包括以下幾個(gè)方面：其一，可作為電壓源，利用高電壓和高電場(chǎng)，在空氣凈化和治理河水污染領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景；其二，可作為信號(hào)源，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械信號(hào)向電信號(hào)的有效傳遞與傳感；其三，可作為控制源，通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種半導(dǎo)體器件的有效調(diào)控。

本研究基于紡織領(lǐng)域，歸納和總結(jié)了目前TENG織物的研究成果。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將具有紡織成形的TENG織物劃分為2D-TENG和3DTENG。對(duì)3D-TENG作為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和觸覺(jué)傳感器兩個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了概述。未來(lái)，TENG將朝便攜化、舒適化、微型精細(xì)化方向發(fā)展，更密切地對(duì)接柔性智能可穿戴領(lǐng)域和自供電醫(yī)療設(shè)備的需求，通過(guò)材料改性、材料復(fù)合和結(jié)構(gòu)變化等方法提高TENG的穩(wěn)定輸出，為微型自供電電子設(shè)備的發(fā)展提供新的支撐。