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西南大學魯志松教授、喬琰副教授課題組《Nano Energy》：可大規(guī)模制備的芯鞘結構微量汗液激發(fā)紗線電池

2023-03-02 來源：高分子科技

近年來，智能電子織物作為未來可穿戴領域的一個重要發(fā)展方向備受矚目，之前報道的一維汗液激發(fā)電池（SAB）由于其優(yōu)異的柔韌性、生物相容性和與傳統(tǒng)紡織工藝的兼容性等，為滿足智能電子織物系統(tǒng)的能源供給需求提供了一條新的途徑。然而，人體排汗初始階段的低功率輸出和緩慢低效的激發(fā)過程極大地阻礙了其在智能織物電子系統(tǒng)中的應用。

近期，受傳統(tǒng)紗線制備方法啟發(fā)，西南大學材料與能源學院魯志松教授、喬琰副教授課題組開發(fā)了一種可大規(guī)模制備的芯鞘結構微量汗液激發(fā)紗線電池（SAYB）。SAYB以鋅線為陽極、棉紗為隔膜、碳線為陰極連續(xù)繞制而成，具有獨特的一維線狀結構、出色的柔韌性和可洗性。借鑒傳統(tǒng)紗線制備方法，SAYB易實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，可輕松進行彎曲、纏繞、打結、扭轉和清洗等。微量汗液即可從不同部位快速激發(fā)SAYB，實現(xiàn)為小型電子元件穩(wěn)定供能。SAYB與傳統(tǒng)紡織工藝兼容，可通過編織、針織和縫紉等方式整合到織物中，形成大面積汗液激發(fā)供能面料（SAEF）。SAEF可制成“夜跑頭帶”，伴隨著夜跑過程中頭部汗液的分泌，頭帶上的燈也隨之點亮，可為夜跑愛好者提供安全警示和照明。此外，SAEF可進一步通過剪裁和縫紉制成汗液激發(fā)供能T恤。當人體運動出汗后，T恤上被激發(fā)的SAYB模塊可為柔性拉伸運動監(jiān)測系統(tǒng)供能，實現(xiàn)對運動過程中手臂擺動、呼吸頻率等信號的無線傳輸監(jiān)測。相關工作以“Scalable, high-performance, yarn-shaped batteries activated by an ultralow volume of sweat for self-powered sensing textiles”為題，發(fā)表在《Nano Energy》（Nano Energy 109 (2023) 108304，10.1016/j.nanoen.2023.108304）上。

亮點：

1. 開發(fā)了一種芯鞘結構微量汗液激發(fā)紗線電池（SAYB）；

2. 小體積激發(fā)：SAYB僅需1 μL汗液即可在3 s內被快速激發(fā)；

3. 相對高性能：SAYB的最大功率密度為1.72 mW cm^?2，能量容量為15.3 mAh；

4. 柔韌性和可洗性：SAYB可經(jīng)受多達10000次彎曲循環(huán)、2800次360°扭轉循環(huán)以及20次洗滌而保持性能無顯著變化；

5. 大規(guī)模制備：借鑒傳統(tǒng)紗線制備方法，SAYB實現(xiàn)連續(xù)化制備（60 m）；利用傳統(tǒng)紡織技術，SAYB被制備成大面積汗液激發(fā)供能織物（SAEF：5 m × 0.5 m），并通過剪裁和縫紉與柔性拉伸傳感織物集成，定制成適于可穿戴應用的自供能傳感T恤。

圖1 芯鞘結構汗液激發(fā)紗線電池的（a）電池結構、（b）工作原理以及（c）潛在應用

圖2 SAYB制備過程、形貌展示以及基本性能。（a）SAYB大規(guī)模連續(xù)化制備示意圖；（b）SAYB實物照片；（c）鋅線陽極（左）、碳線陰極（中）和SAYB截面圖（右）；當NaCl溶液濃度從25 mM增加到400 mM時，SAYB的（d）極化曲線和（e）功率密度曲線以及（f）內阻和功率密度峰值與NaCl濃度之間的相關性；當SAYB長度從3 cm增加到19 cm時，SAYB的（g）極化曲線和（h）功率密度曲線以及（i）內阻和功率峰值與SAYB長度之間的相關性。注：圖d、圖e和圖f所用器件長度均為5 cm，圖g、圖h和圖i所用NaCl濃度為100 mM。

圖3 SAYB的微量汗液激發(fā)特性。（a）SAYB自發(fā)芯吸皮膚表面汗液的示意圖；（b）親水和疏水棉紗隨時間變化的接觸角；（c）親水和疏水棉紗制備的SAYB被1 μL NaCl溶液激發(fā)后的輸出電壓；（d）連續(xù)滴加1 μL NaCl溶液（不同位置），SAYB的輸出電壓；插圖：兩個串聯(lián)的SAYB分別滴加1 μL NaCl溶液點亮LED的照片；（e）連續(xù)滴加1、5和10 μL NaCl溶液（不同位置），SAYB的輸出電壓；（f）1、5和10 μL NaCl溶液激發(fā)的SAYB的極化曲線和功率密度曲線；（g）連續(xù)滴加10 μL NaCl溶液（同一位置），SAYB的輸出電壓；（h）5組獨立SAYB的最大液體存儲體積。注：圖c和圖d中負載=80 kΩ；圖e和圖g中負載=80 kΩ；

圖4 （a）SAYB分別處于彎曲和伸展狀態(tài)；（b）SAYB分別處于不同扭轉角度；（c）10000次循環(huán)彎曲的SAYB的恒電流放電曲線；（d）2800次循環(huán)扭轉的SAYB的恒電流放電曲線；（e）串聯(lián)電池組的開路電壓；（f）并聯(lián)電池組的功率密度；（g）20次重復清洗對SAYB開路電壓的影響；（h）SAYB在電解液連續(xù)供應下的長期恒電流放電曲線；（i）串并聯(lián)電池組為夜跑頭帶上LED供能；（j）串并聯(lián)電池組借助升壓器為微型電化學工作站和智能手表充電。

圖5 SAYB的大規(guī)模制備、大面積電池織物以及供能T恤展示。（a）60 m SAYB紡紗錠；（b）SAYBs分別處于彎曲、纏繞、打結和扭轉狀態(tài)；（c）用SAYBs作為緯線編織汗液激發(fā)供能織物（SAEF）；（d）5 m × 0.5 m的SAEF；（e）用SAEF定制的供能T恤。

圖6 人體可穿戴汗液激發(fā)自供能傳感系統(tǒng)。（a）汗液激發(fā)供能T恤為電子器件供能的穿戴演示；（b）汗液激發(fā)供能T恤的正面（織物傳感模塊）和背面（織物電池模塊）；（c）自供能傳感系統(tǒng)等效電路示意圖；（d）傳感系統(tǒng)實時監(jiān)測身穿汗液激發(fā)供能T恤志愿者運動時手臂擺動和腹部呼吸頻率。

本研究設計了一種可大規(guī)模制備的芯鞘結構微量汗液激發(fā)紗線電池（SAYB），它有望作為穩(wěn)定可靠的一維電源助力可穿戴醫(yī)療保健和運動監(jiān)測應用。西南大學材料與能源學院魯志松教授與喬琰副教授為共同通訊作者，2020級碩士生巨俊和2019級博士生肖剛為本文的共同第一作者。這項工作得到了“西南大學創(chuàng)新研究2035先導計劃（SWU-XDPY22014）”、國家自然科學基金（No. 22272130）、海南省院士工作站以及西南大學生物功能表界面團隊的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108304

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（責任編輯：xu）

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