北服王锐教授团队《JMCA》综述：基于摩擦纳米纤维/纱线的智能可穿戴传感器
研究背景
摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG）是一种能够将机械能转换为电能的先进技术，具有用作可持续移动电源和自供电传感器的良好前景。其中，具有一维结构的纤维摩擦纳米发电机（F-TENG），表现出优异的机械自由度和灵活性，不仅可以有效地适应任何方向的弯曲、扭转和拉伸，还可以作为基本单元进一步形成基于纺织品的TENG（T-TENG），从而为TENG带来透气性和良好的非平面表面适应性。随着基于 F-TENG 和 T-TENG 的智能可穿戴产品的蓬勃发展，有必要对各种F-TENG制造技术进行全面研究，以指导开发并进一步改善F-TENG的性能和生产工艺。
文章导读
最近，材料设计与工程学院的王锐教授团队在纤维摩擦电纳米发电机方面取得了一系列研究工作，相关工作综述成果以 “Fibrous triboelectric nanogenerators: fabrication, integration, and application”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，该论文的第一作者为2020级研究生崔秀举，通讯作者为吴汉光副教授和王锐教授。该综述全面介绍了 F-TENG 的最新进展，包括制造技术、F-TENG 与智能纺织品中的集成策略以及 F-TENG 作为能量收集装置或自供电传感系统的应用。最后，提出了F-TENG在性能优化、大规模生产和基本机制方面的挑战和前景。
研究内容
图1. F-TENG的电子转移机理和工作模式
1. F-TENG的工作机理
接触起电或摩擦起电是指两种不同的材料或相同化学类型的材料在物理接触后会带电，就基于固体材料的TENG而言，其电子转移机理可以用电子云势阱模型（如图1a）来解释。考虑到F-TENG特殊的纤维结构，大多数F-TENG通过单电极模式（如图1b-i）或具有双电极的接触分离模式（如图1b-ii和图1b-iii）工作，不同工作模式下的 F-TENG 显示出不同的结构特征和优势，适用于不同的可穿戴条件。
图2. 通过涂层技术制造的 F-TENG
2. F-TENG的制造技术
F-TENG制造的关键是将摩擦电层与核心电极完美集成，并构建适当的内部结构，摩擦电材料采用电子亲和性相差很大的柔性材料，导电材料包括金属材料及其衍生物、导电聚合物和碳材料等。F-TENG的制造技术是至关重要的，因为它显著影响F-TENG的性能，包括电输出、机械耐久性、耐洗性和穿着舒适性。近年来，各种技术被用于制造F-TENG，包括主流的涂层技术（如图2），传统的纺纱技术（加捻、缠绕、编织、静电纺等），以及最近的同轴挤出、热拉伸和注射技术。值得注意的是，在F-TENG的构建过程中，不一定只使用单一的方法，有时为了获得具有特定配置的F-TENG或进一步改善F-TENG的性能，常常需要联用这些制造技术。
图3. F-TENG通过机织技术集成到 T-TENG
3. F-TENG 集成到 T-TENG的策略
单根F-TENG面临输出功率低和检测面积小的挑战，利用F-TENG一维结构所提供的良好可编织性，在实际应用中，F-TENG通常集成到织物或纺织品中，已形成智能纺织品。相对而言，由F-TENG形成T-TENG后，因为摩擦面积的增加，可以更有效地响应微小的局部变形。此外，T-TENG具有多孔结构，可保持优异的透气性和舒适度。根据使用要求，T-TENG可设计为二维或三维结构，二维T-TENG的集成方法包括机织（如图3）、针织和刺绣，三维T-TENG的集成方法分为3D机织、3D针织和3D编织。纺织品制造技术的灵活选择为T-TENG提供了对复杂机械变形的良好适应性，而使用不同技术构建的不同图案对T-TENG的摩擦电性能有很大影响。
图4. F-TENG和T-TENG用于自供电传感器
4. F-TENG和T-TENG应用
一方面，F-TENG和T-TENG可以实时采集人体运动机械能并转换为可持续的电能，因而将TENG与能量存储设备（如电池和超级电容器）集成来构建自充电电力系统，为便携式电子产品提供了一种有前景的能量解决方案；另一方面，F-TENG和T-TENG在压力或变形时能够产生电流或电压信号，因而可以开发响应应力和应变的自供电传感器（如图4），以应用于用于医疗监控、人体运动检测、人机交互和智能家居等多个领域。
总结与展望
作为一种智能电子设备，F-TENG实现了传统纱线和先进TENG的结合，从而兼容了它们的优点，由于F-TENG方便地集成到智能织物或纺织品中，其在可穿戴电源、自供电传感、人体健康监测、人工智能等方面显示出广阔的应用前景。此外，本文也展望了以下内容：开发新的F-TENG制造方法以进一步改进输出电流和功率密度；赋予F-TENG更多功能（如阻燃性、自愈能力、形状记忆能力、热管理能力等）；F-TENG的工业化大规模生产；开发电力管理技术以实现F-TENG和储能装置之间的阻抗和电容匹配；F-TENG的综合性能评价标准。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D2TA03813G
作者简介
第一作者：崔秀举，北京服装学院材料设计与工程学院2020级研究生，2021-2022学年“国家奖学金”“纺织之光奖学金”获得者，研究方向为智能纤维与智能织物。
通讯作者：吴汉光，北京服装学院副教授，硕士生导师。2010年和2016年先后在北京化工大学材料学院获得工学学士和博士， 2014年赴美国凯斯西储大学做访问学者，2016至2018年在清华大学开展博士后研究。入选2022年北京市科学技术协会青年托举人才。研究方向包括功能性纤维、高性能传感器、智能穿戴纺织品等。主持国家自然科学基金青年基金、北京市自然科学基金青年基金等5项国家及省部级基金项目，发表高水平国际论文30余篇，申请专利3项。
通讯作者：王锐，博士，北京服装学院材料设计与工程学院教授，四川大学、天津工业大学兼职博导，中国国家标准化管理委员会全国家用纺织品标准化技术委员会副主任委员；中国纺织工程学会第二十五届、第二十六届理事会常务理事，化纤专业委员会副主任；北京纺织工程学会副理事长。曾任北京市第十三届政协委员、北京市第十一次党代会代表。长期致力于复合功能聚酯及其纤维、超细纤维制备与结构性能研究。近年主持国家重点研发计划、国家自然基金、国际合作基金等国家级及省部级项目30余项。曾以第一完成人获国家科学技术进步奖二等奖2项，光华工程科技奖(青年奖)，中国纺织工业联合会科学技术特别贡献奖（桑麻学者），2020纺织学术大奖及多项省部级科技进步奖，中国纺织工业联合会科技进步一等奖等。发表论文200余篇，部分论文被SCI和EI收录，授权发明40余项，合著出版著作4部、译著1部。
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