【引言】

近年来，随着可穿戴电子设备的迅猛发展，多功能集成化的智能器件的需求日益增长，电子设备不仅需要具有小型化、低功耗的特点，同时需要满足可穿戴的各项特质，并具有良好稳定的性能。因此，具有同步能量采集与存储过程的自充电能量系统是一种潜在的解决方案。然而，现阶段高效稳定的能量系统的发展，仍然存在一定的制约。一方面，考虑到普通的能量存储设备充电不方便等劣势，研究学者提出将超级电容器与太阳能电池相结合的方式，为电子设备持续供能，但是，太阳能电池容易受到环境与工作条件的制约，无法实时采集能量，限制了太阳能电池在可穿戴设备中的应用。而另一方面，随着各类能量采集器的快速发展，克服外部环境限制而随时采集环境中各类能量的摩擦发电机，在可穿戴电子中具有独特的优势，但是，普通的接触分离模式的摩擦发电机则需要较大的空间，无法满足集成式智能衣物的需求。因此，如何将能量采集与能量存储设备高效的集成起来，并应用于可穿戴电子系统，是一个亟待解决的巨大挑战。

【成果简介】

近日，北京大学微电子学研究院张海霞教授（通讯作者）等人在应用物理顶尖期刊App. Phys.Lett. 发表了题为“All-Fabric-BasedWearable Self-Charging Power Cloth”的研究进展，并被选为当期封面文章，博士研究生宋宇为论文第一作者，报道了一种基于通用导电织物电极的自充电能量服。该团队以导电织物作为通用电极，将单表面摩擦发电机与柔性超级电容器集成起来，得到一种高集成度的自充电能量服，在人体运动的过程中对机械能进行同步的采集与存储。一方面，为了更有效的采集人体运动能量，单表面摩擦发电机可以直接贴附于衣物表面，并且表现出了极好的输出性能。同时，利用织物结构表面积大与碳纳米管导电性良好的优势，可穿戴的超级电容器同样具有较高的比电容值与稳定的循环特性。最终，在人体运动的过程中，这种高集成度的自充电能量服可以持续稳定的存储能量，在自供能可穿戴电子与智能衣物等方面具有潜在的应用前景。

【图文导读】

图1 自充电能量服示意图及制备表征

(a)自充电能量服的示意图，包括能量采集部分（单表面摩擦发电机）与能量存储部分（超级电容器）

(b)工艺流程图，通过滴涂碳纳米管溶液方式得到通用织物电极，分别组装成单表面摩擦发电机与柔性固态超级电容器。

(c)纯棉纺织物的SEM图像。

(d)附着碳纳米管的导电织物SEM图像。

图2 自充电能量服工作原理及电荷分布

(a)初始状态，表面无感应电荷。

(b)接触过程中，单表面摩擦发电机表面带正电荷，对电容器进行充电。

(c)完全接触后，两表面电荷平衡。

(d)分离过程中，单表面摩擦发电机表面电荷减少，对电容器进行充电，完成一个充电周期。

图3 全固态柔性超级电容器的电化学性能表征

1. 循环伏安图。

2. 恒电流充放电图。

3. 面积比电容随扫描速率变化图。

4. 奈奎斯特曲线。

5. Ragone(功率密度-能量密度)图。

6. 长循环稳定性测试图。
   
   

图4 单表面摩擦发电机输出特性测试图

(a)输出电压随频率变化图。

(b)输出电流随频率变化图。

(c)单表面摩擦发电机对小电容充电曲线。

(d)长循环输出稳定性测试图。

图5 自充电能量服应用

(a)自充电能量服电路框图，包含能量采集与能量存储两种模式。

(b-c)单表面摩擦发电机随人体走路与跑步运动的输出电压图。

(d)自充电能量服贴附于衣物的可穿戴展示。

(e)在运动过程中，初始的能量服自充电曲线。

【小结】

本文以一种导电织物为通用电极，分别组装得到单表面摩擦发电机与柔性固态超级电容器，并集成为一种自充电能量服。一方面，将单表面摩擦发电机贴附于衣物，可以在运动过程中稳定采集人体机械能，另一方面，柔性超级电容器也展现出良好的电化学性能与机械强度，可以作为稳定的能量存储设备。这种自充电能量服可以在人体运动过程中同步采集与存储能量，同时具有较高的集成度与可穿戴兼容性，显示了其在低功耗可穿戴电子设备中应用的巨大潜力。