納米能源所研制出三維正交編織摩擦納米發電織物

　　自充電可持續供能的摩擦納米發電機（TENG）是一類新興的能量收集器件，依據接觸起電和靜電感應的耦合作用原理，TENG能夠將機械能轉化為電能。TENG的低廉、高效、環保的特征和普遍適用性使其在小規模的機械能收集和大規模的能源發電方面都具有廣闊的發展前景；更重要的是，TENG在低頻和無規則機械能（如人類運動能、風能、水波能、振動能等）收集方面表現出了明顯的優勢。

　　TENG與傳統的編織技術的結合使自供電的智能織物成為可能，然而目前自供電織物的發展仍舊面臨著許多嚴峻的挑戰。首先，傳統的2D TENG織物收集能量的功率過低而不足以驅動大部分可穿戴電子器件；其次，多數纖維電極或織態電極的制備過程具有復雜耗時、造價過高、不環保的缺點，并且基于這些電極的電子織物基本無法實現水洗；最后，大部分TENG織物依賴外界載體或表面獲得摩擦電能，這限制了TENG織物的應用領域。因此，發展高輸出功率、多功能、可穿戴TENG織物十分必要。

　　近日，在中國科學院外籍院士、中科院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林的指導下，博士生董凱、鄧佳楠、博士后訾云龍等研究人員通過結合不銹鋼/聚酯混紡紗線、PDMS包覆的能量收集紗線和絕緣結合紗線，成功研制出了高輸出功率的三維正交編織TENG（3DOW-TENG）織物。此3DOW-TENG織物在擊打頻率為3Hz時，最大輸出功率高達263.36mW m-2，遠高于傳統二維TENG織物。此外，自供電的3DOW-TENG織物在生物機械能量收集和運動信號追蹤方面性能優異。此研究工作也為多功能自供電織物在可穿戴電子、住宅安保與健康監護等領域的應用提供了新方向。相關研究成果發表在Adv. Mater.上。

　　研究人員制備了高輸出功率且穩定耐用的3DOW-TENG，經過結構類型和電路連接模式的優化，在雙電極模式下，絕緣Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG表現出最佳電學性能。三維正交的結構設計為不銹鋼/聚酯混合導電紗線提供了足夠的接觸-分離空間；PDMS包覆的能量收集混紡紗線在擊打頻率為3Hz時其最高功率密度高達263.36mW m-2。此可穿戴3DOW-TENG在生物能量收集和自供能傳感等領域有廣泛的應用空間，如供能警示燈/電容器/智能手表、運動信號追蹤、自供電跳舞毯；自充電3DOW-TENG智能織物在未來住宅安保、智能解鎖等方面也有很大的發展潛力。

（a）大面積可穿戴3DOW-TENG織物實物圖；（b）拉伸、折疊、卷曲機械形變狀態下的3DOW-TENG；（c）3DOW-TENG在拍打（左圖）或踩踏（右圖）情況下點亮了組成“3DTX TENG”圖樣的71個LED燈；（d）自供電3DOW-TENG用于可穿戴夜間警示燈展示圖，自充電3DOW-TENG織物穿戴在小臂上，點亮了組成“STOP”字樣的16個LED燈；（e）3DOW-TENG在擊打情況下對商業電容器（0.68 μF）的充電性能展示圖；（f）3DOW-TENG在拍打情況下對智能手表連續供電；（g）不同運動狀態下，自供電3DOW-TENG輸出的開路電壓；（h）自供電3DOW-TENG跳舞毯示意圖；（i，j）拍打（左）和踩踏（右）下工作的跳舞毯。