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  可穿戴電子器件，如電子皮膚、智能手表、運(yùn)動(dòng)手環(huán)等，已表現(xiàn)出替代傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的巨大潛力，但因器件體積有限，電池續(xù)航時(shí)間短，應(yīng)用受到限制。一種常規(guī)的策略是將輕便高效率發(fā)電模塊和高能量的存儲(chǔ)裝置做成織物，直接集成到可穿戴電子系統(tǒng)中，如基于纖維的光伏電池和電容器組成的自供電系統(tǒng)等。然而，光伏電池的工作狀態(tài)取決于天氣等外界條件，僅能在足夠的光照下工作，況且晝夜交替、霧霾嚴(yán)重，太陽(yáng)能的間歇性和不可預(yù)測(cè)性決定其并不總是可用的，如何利用不同的工作機(jī)制從環(huán)境中收集能量以替代和補(bǔ)償太陽(yáng)能不足部分的需求是迫切的。相比之下，2012年由中國(guó)科學(xué)院納米能源與系統(tǒng)所首席科學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院董事教授王中林院士提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)，可以從環(huán)境中收獲不同的機(jī)械能量。摩擦納米發(fā)電機(jī)主要是基于摩擦帶電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，其對(duì)于頻率低于5 Hz機(jī)械能，具有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不可擊敗的優(yōu)勢(shì)，非常適用于收集如波浪、潮汐、人體運(yùn)動(dòng)等常規(guī)方法難以收集的能量，由此提出一種從環(huán)境中同時(shí)收集多種類型的能量的新策略，通過(guò)結(jié)合兩種不同發(fā)電單元同時(shí)收集太陽(yáng)能和機(jī)械能，并將其儲(chǔ)存，使得能量資源可以有效的互補(bǔ)利用。

  針對(duì)上述想法，在王中林院士指導(dǎo)下，由文震博士、葉旻鑫博士和郭恒宇等組成的團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了一種基于纖維管狀的摩擦納米發(fā)電機(jī)、染料敏化太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器的多能量收集及存儲(chǔ)復(fù)合織物系統(tǒng)。其中，染料敏化太陽(yáng)能電池主要是利用EVA軟管作為基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，在Ti線上使用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備了TiO2納米管，在碳纖維上生長(zhǎng)了Pt作為對(duì)電極，注入電解液封裝后，即構(gòu)成了單根的纖維管狀染料敏化太陽(yáng)能電池，在標(biāo)準(zhǔn)光源條件下其短路電流密度、開(kāi)路電壓和填充因子分別為11.92 mA/cm2，0.74 V，和0.64，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5.64%；超級(jí)電容器主要也是利用EVA軟管作為基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，利用蒸汽熱法在碳纖維上制備了RuO2·xH2O，使用PVA/H3PO4作為電解液，在1,000μA的高電流密度下，比電容仍可保持在1.9 mF/cm，能量密度可達(dá)1.37 mJ/cm；摩擦納米發(fā)電機(jī)主要是基于染料敏化太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在EVA管表面鍍置電極和摩擦層材料，單對(duì)纖維管狀摩擦納米發(fā)電機(jī)在模擬接觸分離運(yùn)動(dòng)時(shí)可輸出12.6 V電壓和0.15 μA電流。單根的各類器件均采用柔性結(jié)構(gòu)材料，并在不同彎曲角度均展現(xiàn)出較好的輸出性能，因此可將上述器件任意組合，編織成不同的形狀和樣式，并根據(jù)輸出性能進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)同時(shí)收集太陽(yáng)能和人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能并儲(chǔ)存于該織物的目的。

  該可持續(xù)供電織物具有非常高的能量收集效率，可輕易的驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的電子設(shè)備，如發(fā)光二極管、數(shù)字手表和各種傳感器等，我們相信通過(guò)后續(xù)的不斷改進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)范制造，在不久的將來(lái)，可以輕松的利用我們的新型自供電紡織物為更大功率的可穿戴電子設(shè)備直接充電。相關(guān)工作近日以“Self-Powered Textile by Hybridizing All Fiber-Shaped Triboelectric Nanogenerator-Solar Cell-Supercapacitor for Wearable Electronics”為題發(fā)表于最新一期的《Science Advances》期刊。

  原文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/2/10/e1600097