智能纺织品:高性能,透气的面料为小型电子设备供电

Made of electrospun polyvinylidene fluoride (PVDF) and nylon, silver nanowires (AgNWs) and polystyrene (PS), the new all-fibrous composite nanogenerator (AF-TENG) can be easily incorporated into clothing, allowing it to power small electronics through everyday movements. Image is from the original article published in Nano Energy Vol. 90 Part A, reused with permission from Elsevier

科学家们创造了一种新的摩擦式织物,该面料从人体的运动中产生电力,同时保持柔韧性和透气性。

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唱出身体向电子设备(例如手机)充电的运动,这要归功于在Triboelectric纳米生成器(Tengs)上所做的工作,很快就会成为现实。但是,大多数目前的腾tengs没有透气,使其穿着不舒服。现在,研究人员开发了一种由电纺纤维,银纳米线和聚苯乙烯电荷存储层制成的多层teng,该材料不仅具有高电气性能,而且具有卓越的可穿戴能力。

摩擦电效应是一个现象,一个charge is generated on two dissimilar materials when the materials are moved apart after being in contact with each other. Triboelectric nanogenerators (TENGs) use this effect to convert mechanical motion into electrical energy. The compactness of TENGs allows them to be used as wearable devices that can harness the motion of the body to power electronics. Being wearables, the emphasis is placed on the fabric properties (such as the comfort of the material) and the charge-carrying capacity of the nanogenerators. Generally, the triboelectric materials chosen for the nanogenerator should be safe, compatible with the human body (biocompatible), flexible and breathable while being able to maintain a high electrical output performance.

在考虑到Tengs的众多材料中,电纺纤维是一个有前途的候选者,因为它们是轻巧,坚固且具有理想的电性能。静电纺丝是一种使用电荷将聚合物溶液吸引到纤维中的技术。正在进行的努力将金属添加到电纺纤维中,以提高静电潜力和电荷捕获能力。但这导致了材料的舒适性和输出性能之间的妥协。

在最近发表的一项研究中纳米能量,来自日本福岛大学和中国南京大学的研究人员开发了一个全纤维的复合层Teng(Af-Teng),可以轻松地与普通布集成。该研究的相应作者Hiroaki Sakamoto博士说:“借着我们的工作,我们的目标是为可穿戴能量收割机和智能纺织品提供新的观点。”

AF-TENG包含由两层电纺纤维制成的摩擦膜 - 一种称为聚偏氟化物(PVDF)的材料,另一种是一种尼龙。银纳米线覆盖了这些层。研究人员进一步在银纳米线和底膜膜之间添加了一层电纺聚苯乙烯纤维。

The mechanical motion of the body while walking or running causes the triboelectric layers to gain a charge. This way, the mechanical energy is converted into electrical energy, which can be used to power electronic devices.

通常,在底层表面上的电荷积累逐渐丢失或消散,从而降低了表面电荷密度和纳米生成器的输出性能。但是,在这种情况下,添加的聚苯乙烯膜收集并捕获电荷,并保留AF-TENG的表面电荷密度。研究人员使用AF-teng点亮了126个商业LED,每个LED均为0.06瓦,证明了纳米发育仪的可行性。此外,根据Sakamoto博士的说法,“发电设备具有灵活性和透气性,因为所有组件均由纤维材料组成。该设备在从我们的衣服上收集静电方面显示出很大的潜力。”

尽管Tengs目前仅限于电源低功率设备,例如LED和计算器,但改善可穿戴性和输出性能是迈向未来可穿戴技术的组成步骤。

参考

原始纸的标题:全纤维的摩擦电纳米生成器,其输出依赖于聚苯乙烯电荷存储层

杂志:纳米能源

doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106515

November 2021