Highly stretchable, durable and breathable thermoelectric fabrics for human body energy harvesting and sensing

Xinyang He, Jia Shi, Yunna Hao, Mantang He, Jiaxin Cai, Xiaohong Qin*, Liming Wang*, Jianyong Yu

Carbon Energy.

DOI: 10.1002/cey2.186

近年来，柔性便携的电子器件已成为智能穿戴系统的热点研究领域。然而传统电子器件的运行往往依靠外部电源或频繁充电，这大大的影响了电子设备的便携性。热电材料因为能够将人体与外部环境之间的温差直接转化为电能而受到了广泛关注。然而，可穿戴热电器件需要实时满足人体运动（皮肤张力、关节旋转）产生的应变拉伸或压缩，这就需要其具备良好的柔性和可拉伸性。目前许多方法如真空抽滤、涂覆、浸渍等方法在制备可拉伸热电材料方面取得了一定的进展，但是透气性和穿戴舒适性大打折扣。

静电纺制备的纳米纤维具有纵横比高、比表面积大、表面形态可控和机械性能优异等优点，已被广泛研究并应用于基于能量收集的可穿戴电子设备中。基于此，东华大学覃小红、王黎明提出了一种先进的的制备策略，将静电纺丝和喷涂技术相结合，制备出具有优异拉伸性、耐用性和透气性的碳纳米管（CNT）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/聚氨酯（PU）复合热电纳米纤维膜。热电纤维膜室温下的最优塞贝克系数为 51 μV K^-1，并能获得~250%的拉伸形变。即使在经历1000次机械弯曲后其热电性能依然可以维持稳定。基于热电材料的自供电特性，我们将其集成到口罩中，可以实时监测人体呼吸频率。此外，基于热电纳米纤维膜设计了一种自供电应变传感器，以监测手指和手腕等人体关节的运动，帮助运动员改善运动姿势并提高运动效率。所制备的CNT/PVP/PU复合热电纳米纤维膜在电子皮肤、人机交互和健康管理等可穿戴电子领域展现出了较大的前景。文章以“Highly stretchable, durable and breathable thermoelectric fabrics for human body energy harvesting and sensing”为题发表在Carbon Energy上，文章第一作者为东华大学纺织学院何昕阳博士。

通过静电纺丝-喷涂工艺制备可拉伸热电纳米纤维膜，其中，PU纳米纤维膜作为可拉伸骨架，在其表面喷涂CNT作为热电材料，PVP的加入既有助于CNT的分散也可以增加CNT和骨架之间的界面结合力。CNT的良好分散和喷枪的小孔径喷涂液滴的协同作用维持了PU纳米纤维膜的透气性。由于优异的透气性和力学性能，所制备的CNT/PVP/PU复合热电纳米纤维膜在健康监测、可穿戴柔性发电机和人机交互等智能可穿戴电子产品中显示出广阔的应用前景。

热电纳米纤维膜装成的热电器件具有出色的透气性和佩戴舒适性，可以直接将其安装在人体的某些部位（面部，手腕）进行测试，以研究其作为可穿戴电子产品的实际意义。从红外图像可以看出，室温下器件冷端和热端的温差约为3K，对应的输出热电压约为0.75mV。我们进一步将器件集成到口罩中，检测呼吸频率，实现人体健康监测。当我们站立或行走时，呼吸频率稳定，产生的热电压呈现有规律的波动。但是当我们剧烈运动时，热电压趋于稳定。这可以归结为剧烈运动导致呼吸频率增加，热量来不及逸散形成稳定的温差，导致输出电压稳定。

为了在自供电模式下测试应变传感器的传感性能，我们将其安装在我们自制的平台上进行测试。当对传感器施加恒定的温差（ΔT=5 K）时，传感器在初始状态下可以产生 0.25 mV 的电压，这对应于其塞贝克系数。当对传感器施加一些应变时，电压将产生相应的降低响应。所以我们考虑使用传感器来检测手腕和手指的弯曲运动，以提高高尔夫运动的表现。由于环境和皮肤之间存在的温差，传感器基于热电效应会产生稳定的输出电压，并且当我们的手腕做往复弯曲运动时，设备会在自供电模式下下产生规律的电压和电流变化。这表明我们可以通过传感器产生的电压变化来合理地进行击打训练，并记录击打次数以满足训练计划。