王中林院士/陈宝东副研究员《AFM》：气凝胶纳米包覆摩擦电纱，可从400℃高温环境中收集电能！

柔性电子技术是一种将电能集成到织物中，为可穿戴电子产品提供电能的技术。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）得到飞速发展，它将改变各种电子产品的自供电能源供应方式，也为集成到织物中的智能电子纺织品提供了新的机会。然而，TENG具有摩擦起电材料固有的局限性，难以抵抗高温。因此，如何制造出简便、柔性、耐用、高效、耐高温的纺织电源一直是一个挑战，即使是现有的能源技术，包括各种化学电池、微电磁发电机、光伏电池等，目前也都无法实现。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、陈宝东副研究员等人提出了一种全纱线摩擦纳米发电机（Y-TENG），用于在25 ~ 400℃的温度范围内收集电能并感知生物运动，极大地提高了温度上限。作者采用简单的工艺策略，在聚酰亚胺纳米包覆层静电纺丝过程中引入二氧化硅气凝胶，制备多层稳定摩擦电纱。与普通纤维和纱线不同，核壳结构设计对各种机械触发源具有较高的灵敏度。Y-TENG能够输出转移电荷密度为30 nC cm−2，外部负载电阻为180 MΩ，峰值功率达到0.17 mW，平均响应时间小于15 ms。此外，作者进一步开发了协同智能防护服自供电运动特性监测系统，可提供实时感知和救援援助。该Y-TENG在高温等多种高风险环境下的发电和运动检测方面具有广阔的应用前景。该研究以题为“Harvesting Electrical Energy from High Temperature Environment by Aerogel Nano-Covered Triboelectric Yarns”的论文发表在《AFM》上。

【Y-TENG的设计与制备】

作者以多股碳纤维作为电极，聚四氟乙烯作为介电材料，最外层为纳米复合层。该复合层是由二氧化硅气凝胶和聚酰亚胺组成，其中聚酰亚胺具有优异的摩擦学、力学、耐热性和阻燃性能。为了进一步提高二氧化硅气凝胶在服装中的舒适度，作者采用了纳米包覆静电纺丝工艺制备了该气凝胶纤维。因此，该复合层通过纳米包覆静电纺丝的方式包裹在导电螺旋纤维束上，形成紧密包裹的核壳结构。然后，作者采用连续自动化工艺的国产纳米包覆静电纺纱方法制备了摩擦电纱，通过调节卷绕机前进速度来控制纱线的直径。最后，作者采用全摩擦电纱线制作了一种平纹结构Y-TENG，可以同时承受拉伸、折叠、卷曲等各种复杂机械变形，用于收集电能并作为分布式电源。

图1气凝胶纳米包覆摩擦电纱的制备与结构

图2 Y-TENG的结构设计

【Y-TENG的电学性能和耐高温性】

为了表征Y-TENG在高温下的输出性能，作者将Y-TENG用于实际高风险环境中的能量采集和传感。结果表明，Y-TENG能够输出转移电荷密度为30 nC cm −2，外部负载电阻为180 MΩ，峰值功率达到0.17 mW，平均响应时间小于15 ms，且在1800个循环期间电压没有明显下降，具有良好的机械鲁棒性和工作耐久性。此外，Y-TENG即使在400℃下加热30分钟，其柔韧性也没有明显影响。作者还将Y-TENG移动到酒精灯中燃烧，火焰不自我传播，与火焰接触的表面在除去火焰后只显示出轻微的燃烧迹象，说明Y-TENG具有出色的阻燃性能。本工作突破了有机摩擦电材料的电能采集温度上限，扩展了纺织品基电源的应用范围，与其他工作相比具有较好的优势，有望改变人类在极端环境下与智能电子纺织品的交互程度。

图3 Y-TENG的电学性能和耐高温性

【自供电运动特性监测系统】

Y-TENG具有优异的耐高温和阻燃性能，可用于特殊的高危环境。通过配合智能防护服，作者进一步开发了一种自供电运动特征监测系统，为在高风险环境中工作的人员提供实时感知和救援援助。基于Y-TENG轻薄、柔韧和可拉伸的特性，它可以集成到织物中，用于检测人体的运动，跟踪那些在危险环境中工作的人的轨迹。人们走、跑、跳的每一步都可以通过与Y-TENG的接触分离产生不同的能量。当运动状态从走、跑到跳变得更剧烈时，频率和电压都会增加。当工人在极端环境下失去接触时，可以通过输出性能来判断工人的运动状态，以此来了解工人的健康状况，因此Y-TENG可以实时监测工人的运动和健康状况。

图4 演示由防护服和Y-TENG集成的自供电运动特性监测系统

总结：作者开发了一种柔性耐用的耐高温全纱线摩擦纳米发电机（Y-TENG），用于收集电能和自供电感知生物运动。该工作突破了有机摩擦发电材料的温度上限，有望提高纺织基电源的工作温度，在高温等多种高风险环境下的发电和运动检测方面具有很大的应用前景。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205275

来源：高分子科学前沿

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