用于有效运动能量收集的基于核壳纤维的二维编织摩擦纳米发电机

介绍

随着电子技术的飞速发展，各种便携式、可穿戴甚至可植入的个人电子设备被发明出来，使我们的日常生活更加美好[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 11]。然而，由于传统电池固有的局限性，如容量有限、寿命短、维护困难和环境危害[12,13,14]，个人电子设备的产量增加和广泛应用对新型电源提出了迫切的需求。 [15,16,17,18,19]。迫切需要开发新的电源，使电子设备可持续、及时地工作。无论您做什么，无论您身在何处，来自人类日常活动的身体运动能量都广泛存在[20]。如果这种机械能能够被有效地收集并转化为电能，它就可以随时随地为个人电子设备供电。

作为一种将机械能转化为电能的新型发电装置[21,22,23,24]，摩擦纳米发电机是基于接触带电效应和静电感应的耦合[25,26,27,28, 29,30]。它们已被成功证明为便携式电子产品、传感器、环境监测器等的可持续电源 [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] .其中，可穿戴摩擦纳米发电机 (WTNG) 旨在将人体活动产生的身体运动能量转化为电能 [45,46,47]。目前的WTNG可以根据是否使用基材分为两类。大多数 WTNG 属于第一类，它们的电极和摩擦层涂在柔性基材上，例如纺织纤维或一块织物 [48,49,50,51,52,53]。它们具有良好的柔软性、柔韧性和重量轻。然而，负载电极与基板之间的附着力较差，这大大降低了它们的耐用性和可用性，进一步使得这些 WTNG 无法长期使用。第二类WTNG不依赖于额外的基材，它们的建筑材料直接用作带电极的摩擦层。基于尼龙布和聚酯布的 WTNG 巧妙地避免了基材的粘附问题 [54]。后来，开发了一种以不锈钢导电线为电极，以硅橡胶和PDMS为摩擦层材料的WTNG [55,56,57]。然而，这些WTNG要么不具有长期的稳健性，要么具有相当复杂的制造工艺，可用于大规模制造。

在这项工作中，我们制造了一种新型二维编织可穿戴摩擦纳米发电机（2DW-WTNG），具有稳健性和连续生产过程的优点，非常适合大规模生产。尺寸为 1.5 × 1.5 cm ² 的 2DW-WTNG 产生的输出电压和输出电流分别为 6.35 V 和 575 nA。连接到 50 MΩ 的外部负载时，它产生的最大功率密度为 2.33 mW/m ² .连接整流桥后，2DW-WTNG 瞬间为商用发光二极管（LED）供电，无需任何储能过程。它还用于在 1 分钟内将 0.47 mF 电容器从 0 V 充电到 1.84 V。此外，它对0.4 mm位移下的外部运动表现出良好的敏感性，在任意面内方向和不同工作模式下具有良好的适应性，并且具有良好的鲁棒性，可连续工作12 h而不退化。

方法

尼龙/铜芯壳复合导电纤维和聚酯/钢芯壳复合导电纤维的制作

尼龙/铜复合纤维的原料是日缝尼龙线（直径110 μm）和漆包铜线（直径60 μm）。涤/钢复合纤维的原料是日缝涤纶线（直径200 μm）和钢丝（直径60 μm）。使用自制的旋转支架制备了两种聚合物/金属复合纤维，如图1所示。为了制备尼龙/铜复合纤维，首先将漆包铜线固定在旋转支架的中间，然后将两条尼龙线固定在旋转支架的两端。接下来，将这三根电线的顶部固定在一起并挂起来。最后，从旋转支架开始，将尼龙线缠绕缠绕在中间的铜线上，形成具有核壳结构（直径380 μm）的尼龙/铜复合纤维。涤/钢复合纤维的制备与尼龙/铜复合纤维的制备类似，将漆包铜线换成钢丝，尼龙线换成涤纶线。核壳结构是用钢丝紧密包覆聚酯线（直径为 385 μm）实现的。在这里，选择了不同的金属线来平衡 2D-WTNG 的稳定性和输出性能。与钢相比，铜线覆盖了一层薄薄的绝缘层，用于避免 2D-WTNG 工作过程中的短路。如果两种纤维都选择钢作为芯电极，长时间工作后可能会发生摩擦和磨损，从而导致正负电极之间短路。这将降低 2D-WTNG 的稳定性。如果选择铜作为两根光纤的芯电极，则铜线表面的绝缘层会削弱静电感应效应，从而降低2D-WTNG的性能。这种聚合物/金属复合纤维的制备过程模仿了捻陀的模型，这是一种手工捻线的简单工具。采用这种方法，聚合物/金属复合纤维可以在工厂用加捻机投入批量生产。

2DW-WTNG 的制造和结构。 一 说明制造过程的示意图。尼龙线的 SEM 图像 (b ) 和涤纶线 (c ）， 分别。尼龙线包覆铜线的光学图像 (d ) 和聚酯线涂层钢丝 (e ）， 分别。 f 2DW-WTNG的光学图像

2DW-WTNG 的制作

将制备的尼龙/铜复合导电纤维和聚酯/钢复合导电纤维通过一般的针织工艺集成到织物中。 9根尼龙/铜复合纤维并排为一组，9根聚酯/钢复合纤维并排为一组。将两组尼龙/铜复合纤维和两组聚酯/钢复合纤维编织成具有二维编织结构的WTNG。 2DW-WTNG的上部和下部尺寸分别为15 mm × 15 mm（由36根复合纤维组成）和38 mm × 38 mm（由90根复合纤维组成）。如图1所示，它们的光栅宽度约为7 mm。这里，光栅宽度由复合纤维的直径和一组使用的复合纤维的数量决定；因此，可以通过增加或减少一组复合纤维数来方便地调整光栅宽度。当需要大量生产时，这种编织工艺可以在工厂的织机上完成。

2DW-WTNG 的测量

2DW-WTNG 的有效尺寸为 15 mm × 15 mm，光栅宽度为 7 mm，通过周期性地前后移动来测试。测量中，下2DW-WTNG固定在紧装在实验台上的机械台上，上2DW-WTNG置于下2DW-WTNG之上，并与直线电机相连。上层2DW-WTNG由滑动位移和速度可控的直线电机驱动，在下层范围内沿平行于设备表面的方向做往复直线运动，有效接触面积始终保持不变.

结果与讨论

利用纺织制造中的加捻技术，以金属丝为中心电极，缝纫线为外摩擦层，制备了核壳结构复合纤维。通过正交各向异性编织工艺编织两种核壳结构的复合纤维，进一步制造了 2DW-WTNG。图 1a 显示了具有两个相同部分的 2DW-WTNG 的结构图。在2DW-WTNG的每个部分，沿一个方向排列的尼龙/铜复合纤维被收集作为一个电极，沿另一个方向排列的聚酯/钢复合纤维被收集作为另一个电极。使用自制的旋转装置制备两种复合纤维，类似于工厂中的捻线机。扫描电子显微镜 (SEM) 图像如图 1 和图 2 所示。图1a和c分别显示了直径为110 μm的初始尼龙线和直径为200 μm的涤纶线的表面外观。图1d和e分别是制备的尼龙/铜复合纤维和聚酯/钢复合纤维的光学图像，从中可以清楚地观察到核壳结构。图 1f 展示了由四组尼龙/铜复合纤维和四组聚酯/钢复合纤维制成的最终 2DW-WTNG 的光学图像。其纵横交错的编织结构就像一块普通的布，详细的制作过程在“方法”部分进行了说明。

研究了2DW-WTNG的发电性能。如图2a所示，2DW-WTNG的上部和下部面对面固定，上部可以靠着下部左右滑动。一旦上部和下部之间发生相对滑动，接触面就会相互摩擦。由于根据摩擦电级数，涤纶的摩擦电负性高于尼龙，因此电子从尼龙注入涤纶，在尼龙表面产生正摩擦电荷，在涤纶表面产生负电荷。当上部向右滑动并且接触面滑入错位位置时，如第一阶段所示，错位区域中未补偿的摩擦电荷会产生净电场，驱动自由电子从聚酯中的电极移动到电极中直到电场被电极上的感应电荷屏蔽。当上部继续向右滑动时，接触面进入对齐位置，相反符号的摩擦电荷完全平衡，导致感应自由电子回流（第二阶段）。随着向右滑动的继续，接触面被拉回未对准的位置，自由电子从聚酯电极驱动到尼龙电极，如阶段 III 所示。至此，完成了2DW-WTNG的一个循环发电过程。得益于尼龙/铜复合纤维与聚酯/钢复合纤维之间相间结构的光栅设计，电荷在此过程中在两个电极之间交替转移。实验上，初始接触情况取决于上部和下部的放置方式。但是，它不会影响 2DW-WTNG 的输出。由于光栅结构相同，初始接触情况对输出峰值没有影响，但改变了输出峰值的方向。如果初始接触情况是从正到正，接触情况将首先从正到负，然后从正到正，输出峰值为正，然后是负输出峰值。相比之下，如果初始接触情况为正转负，则接触情况将先转正转正，然后转正转负，输出峰值为负，输出峰值为正。

2DW-WTNG的发电特性。 一 发电机制的全过程。 b 输出电流和c 2DW-WTNG 的输出电压。 b 中的插入 和 c 是输出电流和输出电压的放大图。 d 不同负载电阻下2DW-WTNG的电流（实心圆）和功率密度（空心圆）

通过周期性地前后移动来测试尺寸为 15 mm × 15 mm 和光栅宽度为 7 mm 的 2DW-WTNG。详细的测量方法在“方法”部分进行了说明。 2DW-WTNG 的滑动位移为 8 mm，滑动速度为 0.15 m/s，以 2.7 Hz 的恒定频率产生最大振幅为 575 nA 的连续交流 (AC) 输出（图 2b）。在与输出电流相同的频率下，输出电压达到 6.3 V（图 2c）。一个工作周期内的输出电流和输出电压的放大图插入到图1和图2中。分别为 2b 和 c。在一个工作循环中，有两个波包，一个代表单向向右滑动，一个代表单向向左滑动。每个波包中有两个正脉冲和两个负脉冲。该结果与图1f所示的包含四组尼龙/铜复合纤维和四组聚酯/钢复合纤维的装置结构一致，进一步验证了滑模输出与光栅紧密相连设备中的宽度和光栅数。

2DW-WTNG作为实际的电源，需要外接负载。电阻器用于研究输出电力对外部负载的依赖。图 2d 显示了瞬时电流和瞬时输出功率密度与外部负载电阻的关系。瞬时输出功率密度计算为瞬时输出功率（I ² R ) 和设备的面积。发现由于欧姆损耗，瞬时电流随着负载电阻的增加而下降。低电阻时瞬时输出功率密度增加，达到最大值2.33 mW/m ² 在负载电阻为 50 MΩ 时，然后在较高电阻时下降。这一结果表明2DW-WTNG有潜力成为一些个人电子设备的电源，特别是对于负载电阻在几十兆欧左右的个人电子设备。

2DW-WTNG 在滑动驱动模式下的输出性能在很大程度上取决于摩擦电荷的分离率。为了深入研究这一点，尺寸为 15 mm × 15 mm 和光栅宽度为 7 mm 的 2DW-WTNG 的输出性能的特点是在给定的滑动位移为 8 mm 的情况下以不同的相对滑动速度周期性移动。图 3a 和 b 分别显示了 2DW-WTNG 在平均滑动速度为 0.025 m/s、0.050 m/s、0.075 m/s、0.100 m/s 和 0.125 m/s 时的输出电流和输出电压。在电流曲线和电压曲线中，在320 ms处有一个全输出峰值，以0.025 m/s的滑动速度单向移动，另一个输出峰值在320 ms反向移动。在相同的工作时间内，速度的增加导致输出峰值的数量从0.025 m/s的1个增加到0.125 m/s的5个。这是因为较大的滑动速度缩短了一个工作循环所需的时间，并进一步增加了相同工作时间内的工作循环次数。电流峰值从 0.025 m/s 时的 101 nA 增加到 0.125 m/s 时的 415 nA，这意味着滑动速度的增加可以有效地提高摩擦电荷的分离速度并导致较大的输出峰值.电压峰值从0.025 m/s时的3.6 V增加到0.125 m/s时的6.6 V，这是测量电路造成的。电压测量电路的输入电阻与2DW-WTNG形成RC电路，随着滑动速度的增加，2DW-WTNG上的漏电流减小，导致输出电压峰值不断提高。这些结果清楚地表明输出峰值与滑动速度密切相关。除了滑动速度，滑动位移是另一个影响 2DW-WTNG 输出性能的因素。考虑到人体运动中的大部分机械能来自小幅度的运动，因此有必要收集微弱的机械能。为了探索这方面的问题，2DW-WTNG 通过在 0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm 和 2.0 mm 的滑动位移下以 0.1 m/s 的固定滑动速度进行测试。输出电流和电压如图 1 和图 5 所示。 3c 和 d。其输出峰值随着滑动位移的增加而增加。在0.4 mm的最短位移处，输出峰值分别达到2.3 nA和0.05 V，显示了其从小运动中清除机械能的能力。根据2DW-WTNG在水平滑动模式下的工作机制，在一个光栅上滑动时会发生交替的电荷转移。因此，通过将编织带或编织纤维的宽度或直径缩小到更小规模，有望进一步提高滑模下2DW-WTNG的产量。

2DW-WTNG在不同相对滑动速度和相对滑动位移下的发电性能。 一 输出电流和b 2DW-WTNG的输出电压随滑动速度0.025 m/s、0.050 m/s、0.075 m/s、0.100 m/s和0.125 m/s的滑动速度而变化，滑动位移为8 mm。 c 输出电流和d 2DW-WTNG 的输出电压随滑动位移 0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm 和 2.0 mm 在给定的滑动速度 0.100 m/s

考虑到人类活动的复杂性，人体运动能量可能来自不同的方向。因此，合格的 WTNG 应该能够从不同方向的身体运动中获取能量。换句话说，在平面滑动模式下工作的 WTNG 有望沿任意滑动方向工作。如图 4a 所示，2DW-WTNG 的两部分面对面放置，上部可以沿着 X 滑过下部 -轴。保持移动方向，旋转上部产生一个角度（θ ) 在滑动方向和上部的一侧之间。这里，θ 本质上代表了 2DW-WTNG 上部和下部之间的相对工作方向，这要求 2DW-WTNG 能够在不同的相对工作方向上工作。为了阐明这一点，2DW-WTNG 在一组 θ 值（0°、10°、20°、30°、40°和50°）由直线电机驱动，滑动速度为0.10 m/s，滑动位移为10 mm。不同θ下的输出电流和输出电压 如图所示。 4b 和 c。该器件在相对工作方向为 50° 时分别产生 134.45 nA 的输出电流和 2.23 V 的输出电压。同时，由于面内对称，40°时的输出电流和输出电压非常接近50°时的输出电流和输出电压。虽然输出电流和输出电压随着 θ 而略有下降 由于 2DW-WTNG 上部和下部之间的光栅不匹配导致有效摩擦面积减小而增加，这些实验结果有力地验证了 2DW-WTNG 可以在不同的工作方向正常工作。得益于圆柱形复合纤维，其光滑的表面使滑动变得连续而平稳，而不是在光刻工艺制成的边缘明显凸起的窄光栅中摆动滑动。类似地，如果在 2DW-WTNG 的上部施加沿任意面内方向的外部运动，它会沿运动方向滑动并与下部摩擦，从而可以收集运动能量并将其转换为电能.

2DW-WTNG 沿任意平面方向工作的适应性。 一 2DW-WTNG工作在不同相对方向的示意图。 b 输出电流和c 2DW-WTNG不同相对方向的输出电压

作为能量收集器，2DW-WTNG 的输出应该足够高，可以为一些电子设备供电。如图 5a 所示，2DW-WTNG 与桥式整流器相连，然后与两个分支电路相连。通过桥式整流器，2DW-WTNG 的交流输出转换为直流 (DC) 输出。整流后的 DC 信号如图 5b 所示。将桥式整流器连接到第一个分支电路时，整流后的直流信号直接用于点亮红色 LED，如插图和附加文件 1：视频 S1 中所示。当桥式整流器连接到第二个分支电路时，来自 2DW-WTNG 的电力为一个 0.47 μF 的商用电容器充电。充电曲线如图 5c 所示，其对应的存储在电容器中的电荷量显示在插图中。电容在1 min内充电到1.84 V，相应的电荷密度达到3.84 mC/m ² .这两项测试表明，作为能量收集器，2DW-WTNG不仅可以用作方便的应急电源，还可以为储能电池提供能量。此外，2DW-WTNG 的稳定性是确保其实际应用的重要因素。在这里，通过使其在 0.1 m/s 的滑动速度和 8 mm 的滑动位移下连续工作 12 h 来测试 2DW-WTNG 的稳定性。每小时10 s的电流曲线如图5d所示，连续工作12h后输出电流值变化不大，发电性能非常稳定。此外，为了证明 2DW-WTNG 在各种类型的清除能量方面的多功能性，对 2DW-WTNG 进行了一组电气测量。如图 5e 中的插图所示，当 2DW-WTNG 的上部首先垂直接触 2DW-WTNG 的下部（过程 I），然后在下部 2DW-WTNG 上水平滑动时，发生有效摩擦（过程二）。在测量过程中，多次重复接触-滑动-分离操作，其输出电流如图5e所示。对于第一次垂直接触摩擦过程，有一个高而窄的输出峰，然后对于随后的水平滑动摩擦过程，有一个低而宽的峰。在下一个测量周期的最后一个垂直分离过程中，应该出现一个高而窄的输出峰，但没有出现。这可以归因于两个原因。一是2DW-WTNG的上部已经滑出相对的2DW-WTNG的下部，电位几乎平衡。另一个是最后一次垂直分离的过程相当缓慢，所以电势在空气中很快就达到了平衡。综合分析证实，这两种输出电流峰值符合2DW-WTNG两种工作模式的特点，显示出其对人体运动中垂直正压和水平切向力的能量回收能力较强。

2DW-WTNG 的应用。 一 输出端有两个支路的整流电路。 b 整流输出电流信号。插图是由整流电流信号供电的红色 LED 的光学图像。 c 由整流电流充电的 0.47 μF 商用电容器的充电曲线。插入是存储在电容器中的相应输出电荷。 d 2DW-WTNG连续工作12 h的输出电流。 e 2DW-WTNG工作在两种不同工作模式下的输出电流，展示了2DW-WTNG在清除人体运动能量方面的多功能性。工作过程如图所示

附加文件 1：视频 S1。 立即点亮红色 LED 的视频。 (AVI 1334 kb)

结论

总之，通过易于扩展的方法开发了一种具有 2D 编织结构作为可穿戴电源的新型 WTNG。这种 2DW-WTNG 展示了其良好的将机械能转化为电能的能力，并产生了高达 2.73 mA/m ² 的电流密度 .它可以瞬间为商用红色 LED 供电，无需能量存储过程。也可用于将0.47 μF电容在1 分钟内充电至1.84 V，电荷密度达到3.84 mC/m ² 1 分钟内得益于核壳结构纤维和编织结构的稳健性，2DW-WTNG 可以在任意滑动方向上工作。此外，2DW-WTNG 用于收集不同形式的机械能，并连续工作 12 h，输出稳定。卓越的性能、灵活性、可操作性和稳健性使 2DW-WTNG 能够从人体运动中获取机械能并为低功耗电子产品供电。最重要的是，这项工作为大规模生产基于纤维的可穿戴发电机提供了一个设计模型，这将极大地促进个人电子设备的发展。

数据和材料的可用性

当前工作中的数据和分析可在合理要求下向相应作者索取。

缩写

2DW-WTNG：

二维编织可穿戴摩擦纳米发电机

AC：

交流电

DC：

直流电

LED：

发光二极管

SEM：

扫描电子显微镜

WTNG：

可穿戴摩擦纳米发电机