石墨烯纤维制成的可穿戴纺织品将身体运动转化为电能

纳米科学家已经生产出一种可穿戴纺织品，可以编织成衣服，并将穿戴者的弯曲、伸展和其他身体运动转化为电能，并储存该能量。这种织物可能具有广泛的应用，从医疗监测到协助运动员和他们的教练跟踪他们的表现，以及服装上的智能显示。这个研究团队于6月1日发表在《Nano Research Energy》上的一篇论文中描述了它的工作原理。

从智能手表到无线耳机，人们已经可以接触到各种各样的可穿戴电子设备。一系列健康、运动和活动监测器现已集成到智能手机中。

但是，由于可以放置在身体上或身体附近的位置很少，因此此类传感器的准确性仍然有限，并且与许多健康和运动专家对此类技术的雄心相比，其应用范围也很有限。未来，如果能够开发出先进的面料，那么集成到衬衫、裤子、内衣和帽子中的可穿戴电子设备或许能够追踪虚弱指标，以评估与年龄相关的疾病的风险，监测皮质醇水平以追踪压力水平，甚至检测病原体，成为全球大流行监测网络的一部分。

要想将可穿戴电子产品提升到一个新的水平，将健康监测器、运动传感器、导航系统和活动追踪器以一种轻便、不显眼和不那么笨重的方式集成到服装中，仍然需要在先进纺织品方面取得一些重大突破。

现有可穿戴电子产品的挑战之一来自于为设备提供能量的组件的灵活性和可穿戴性的限制。此外，能源供应单元需要易于与设备集成，并且在环保意识增强的时代具有可持续性。最重要的是，现有的储能技术容量非常有限。电池和超级电容器可以储存能量，但它们不能在没有外部电源的情况下自发产生能量。

“电池佩戴起来也不是很舒服，”该论文的第一作者、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的纳米系统专家Feifan Sheng说。“因此，可穿戴和自充电电源的开发至关重要。”

董教授的纳米科学家团队生产了他们所谓的“纤维-TENG”，这是一种灵活的、可编织的、可穿戴的结构，它利用了摩擦电效应，即某些材料在与另一种不同材料摩擦接触后会带电。例如，常见的静电涉及摩擦起电效应的接触感应带电。

纤维-TENG由三层组成：聚乳酸层（一种常用于 3D 打印的聚酯）、还原氧化石墨烯层（一种价格低廉的石墨烯）和聚吡咯层（一种已广泛用于电子和医药的聚合物）。

当纤维-TENG受到机械变形时，例如穿着由纺织品编织的衣服的人弯曲或拉伸时，聚乳酸和还原氧化石墨烯层之间接触产生的摩擦电荷可以被聚吡咯层收集。该过程产生可用作发电单元的电输出。

纤维-TENG开发的关键是一种新工艺，用于制备用于同轴纤维状超级电容器（纤维-SC）的氧化石墨烯纤维——集成到纺织品中的储能设施。同轴结构在弯曲和扭曲时提供了极大的稳定性。

该过程包括将活性材料（那些可以储存和释放电能的材料）添加到还原氧化石墨烯 (rGO) 纤维的表面。首先，研究人员通过使用氢碘酸生产氧化石墨烯纤维。然后，他们将两种活性材料——二氧化锰(MnO2)和聚吡咯(PPy)——添加到氧化石墨烯纤维的表面，这一过程被称为电沉积——一种通过施加电流将材料沉积到表面的方法。

这产生了一种称为 rGO-PPy-MnO2 的负电极材料，用于纤维-SC。然后通过在 rGO-PPy-MnO2 表面均匀涂覆多壁碳纳米管 (MWCNT) 和聚乙烯醇和磷酸电解质制成正极材料。

研究人员测试了他们的纤维-TENG 纺织品，发现它在充电和放电循环中具有高能量密度和长期稳定性，增强了其在提供可穿戴能量生成和存储方面的前景。