《AFM》可穿戴摩擦纳米发电机的最新进展

图文简介

将电子产品与服装和人体相结合以支持人们的生活方式正在迅速成为现实。其中一些电子产品，包括健康传感器、通信设备和个人电子产品，具有改变未来生活的潜力。此类电子设计最苛刻的方面之一是其供电系统，不仅需要持续供电，还需要可穿戴特性和耐用性，这是许多传统供电方法未能实现的。摩擦纳米发电机（TENG）依赖于材料之间的静电荷，可以将机械振动转化为电能。由于 TENG 具有高瞬时功率输出和效率、低成本、易于制造，重量轻，耐磨。本文是对最突出的可穿戴 TENG 类别的综合回顾；用于服装应用的基于纺织品的 TENG、结合鞋类的 TENG 设计和其他 TENG 配件。在此，研究了这些类别中最重要的发展，重点是它们的材料、制造、特征、优点和缺点。最后，对阻碍可穿戴 TENG 发展的主要挑战进行了详细分析，并对潜在的改进技术进行了深入分析，以实现该技术的广泛商业化。

表示人体产生的能量类型的示意图

体运动能量采集装置的一维机械系统：a）等效动力学模型，b）基于不同物理机制的能量转换单元。

些用于从人体运动中获取能量的技术：a) 电磁发生器。 b) 压电发电机。

TENGs 的四种主要工作模式，分别为 a) 垂直接触分离模式、b) 横向滑动模式、c) 单电极模式和 d) 独立摩擦电层模式。

基于夹层纤维/纱线的 TENG 开发

核壳结构的 TENG 发展

基于针织织物的摩擦纳米发电机

基于 TENG 的能量收集器集成到鞋底中。

总结

这项工作详细回顾了可穿戴 TENG 设备的最新发展，主要针对基于纺织品的可穿戴 TENG 结构、TENG 在鞋类中的应用以及其他可穿戴 TENG 配件。随着最近物联网、5G 和先进可穿戴技术的扩展，电子设备和传感器正以快速增长的速度与我们的身体、服装和配件集成。对于此类应用，人类能源是一种无处不在的可再生、免费和无限的能源。本文讨论了可用于此类应用的人体能量类型，并强调了机械能相对于其他人体能量形式的优点。比较了电磁、压电、强调了摩擦电能收集技术和 TENG 作为可穿戴电子设备供电和传感应用的主要候选者的潜力。因此，解释了不同类型 TENG 的理论框架和工作原理，特别关注距离相关电场理论和麦克斯韦位移电流模型。

在本文中，可穿戴TENG根据其应用细分为三大类；基于纺织品的可穿戴 TENG、鞋类 TENG 和其他可穿戴 TENG 配件。考虑到分析的便利性，基于纺织品的 TENG 再次细分为两大类，包括基于纱线/纤维的 TENG 和基于织物的 TENG。

纱线和纤维是任何纺织结构的组成部分，从纤维/纱线规模开始开发 TENG 架构可以最大限度地实现 TENG 功能化。最近，已经使用夹层结构和核壳型结构开发了基于纱线/纤维的 TENG。

另一方面，当基于织物的 TENG 在织物阶段进行功能化时，它们可以用作 TENG 架构中的基板或功能元件。在这篇综述中，基于织物的 TENG 分为两大类；结构改性（针织和机织织物类型）TENG 和表面改性（针织和机织织物类型）TENG。与难以处理和加工的基于纱线/纤维的 TENG 相比，基于织物的可穿戴 TENG 具有更高的稳定性和可加工性等优点。

关于鞋用TENG，根据用途进行了划分；能量收集或传感。在鞋式集成能量采集器中，这些被归类为仅基于 TENG 的设备或 TENG 混合采集器。由于有关该主题的大量报道研究，前面的部分根据鞋内的设备放置情况进一步划分；在鞋底上方、与鞋底结合、在鞋底下方或与鞋结合。

能量收集是鞋类 TENG 的主要应用，如果摩擦电机制与其他能量收集技术混合使用，则更是如此。足部撞击收集的能量可用于为电子设备供电，包括鞋上 LED、温度和湿度传感器、GPS 芯片，甚至智能手表。另一方面，基于 TENG 的传感器虽然输出功率有限，但可以提供有关步态模式、鞋垫压力分布和其他参数的重要信息。因此，这些传感器可以应用于运动科学、糖尿病足溃疡风险评估、生理和康复步态监测等领域。此外，基于 TENG 的传感器可以作为自己的能源，建立摩擦电自供电传感器。然而，这些传感器的设计构成了一项工程挑战，因为必须对传感器控制逻辑进行编程以在传感和采集模式之间交替。换句话说，需要一个测量设备（例如，微控制器）来读取TENG输出电流，其信号包含相关信息。但是，该设备也应该由 TENG 驱动，以获得真正的自供电传感器。因此，应在 TENG 和测量设备之间集成无源/有源 PMM。在被动阶段，PMM 应该有效地为储能单元充电，例如电池或超级电容器，这些单元将用于为设备供电。随着存储单元充满电，由测量设备控制的电压/电流调节开关将在采集和传感模式之间交替，即 分别是被动阶段和主动阶段。这种开关可以通过一个或多个 MOSFET 的实现来实现，[ 218 ]通常消耗更少的功率。关于无源 PMM 设计，有人注意到一种有效的方法已经在能量存储效率方面显示出良好的结果。[ 219 ]

其他可穿戴的 TENG 配件，即腕带、腰带和电子皮肤，在能量收集和传感方面越来越受到关注。这些 TENGS 通常由纸张、塑料、废料和复合材料等材料制成。在第 5.3节中，根据它们在体内的位置，总结了它们的一些最新发展，并讨论了它们的制造方法、电气性能和应用。

6.2 观点

展望该研究领域的未来进展，这项工作强调了需要克服的几个关键障碍，以便可穿戴 TENG 可以传播到实际应用中。这些挑战根据影响所有 TENG 类型的一般缺陷以及每个可穿戴 TENG 研究领域的具体挑战进行了分析。

TENG 由一种独特的器件结构组成，该结构具有一个或两个非导电摩擦电接触表面，其中保留了摩擦电荷。这导致了一系列通用挑战，影响所有 TENG 类型的性能及其与典型电子设备的兼容性。

随着物联网和无线传感器网络 (WSN) 的进步，人们还应该着眼于开发“智能”的 TENG 集成可穿戴设备。在此背景下，柔性和有机电子技术的快速发展以及 TENG 的持续研究将促进电源和电力负载之间的集成。然而，在两者物理距离较远的可穿戴应用中，能量传输仍然必须依赖有线连接，这可能会影响可穿戴性。可穿戴和更有效的无线能量传输方法的发展可能会解决这个问题，[ 50 ]尽管仍然需要大的发展。相反，使用薄、柔韧和耐用的导电材料可能仍然是最好的方法。

研究特定于纺织结构的挑战，这些挑战可以大致分为以下领域：i) 基于纺织的 TENG 理论，ii) 材料、结构和制造方法，以及 iii) 电气、可穿戴和耐用性能。首先，迄今为止开发的大多数 TENG 理论平台都经过设计和演示，用于对简单的平面 TENG 架构进行建模、仿真和优化。这种方法将导致对纺织纱线、针织或机织单元以及因此纺织织物的 TENG 输出行为进行建模。这些发展将极大地增强基于纺织品的 TENG 的设计、制造和优化，以用于实际应用。因此，这些发展也将显着提高基于纺织品的 TENG 设计的成本、时间和效率，目前这种设计仅限于试错法。

在材料选择方面，早期的基于纺织品的 TENG 使用传统材料，如有机硅聚合物和 PTFE 片材作为摩擦电活性表面。虽然这些结构在短期内提供了足够的电力输出，但这些材料的耐用性、耐磨性和舒适性并不是最适合可穿戴应用的。最近，人们越来越关注使用更传统的纺织材料（例如，尼龙、棉花、丝绸）作为纤维、纱线和织物形式的摩擦电层，并具有适当的功能化以帮助克服这些问题。其中一些材料显示出与传统摩擦材料相当的输出性能，同时显着提高了耐磨性和耐用性。此外，最近的基于纤维的 TENG 已使用静电纺丝、纳米纤维掺入和电喷涂等技术制造，以提高输出性能。另一方面，基于织物的 TENG 已经用纳米材料和纳米结构制造，以提高其发电和可穿戴特性。

过去用于制造基于纺织品的 TENG 的许多制造技术都是基于实验室的方法，无法在未来进行大规模生产。为此，已经建立的纺织品加工方法，如丝网印刷、染色、浸涂和纱线涂层，如果经过轻微修改，可用于制造基于纺织品TENG，这将有助于该技术的可扩展性。除此之外，使用最新的纺织制造方法，如先进的针织、先进的纱线加工、3D 编织、芯壳纱线生产和 3D 针织设计在 TENG 制造中变得越来越流行，因为这些方法可以进一步增强电气和可穿戴表演。

总而言之，迄今为止，基于 TENG 的可穿戴设备已经取得了巨大的进步。尽管如此，为了实现它们的商业化并过渡到物联网和无线传感器网络时代，仍需要进一步努力。本次审查旨在提供未来的主要挑战，并帮助指导成功实施这一独特技术的必要发展研究。

论文信息

论文题目：Recent Progresses in Wearable Triboelectric Nanogenerators

通讯单位：莫拉图瓦大学工程学院纺织与服装工程系,波尔图大学科学学

小编有话说：本文仅作科研人员学术交流，不作任何商业活动。由于小编才疏学浅，不科学之处欢迎批评。如有其他问题请随时联系小编。欢迎关注，点赞，转发，欢迎互设白名单。投稿、荐稿：polyenergy@163.com

16个

收录于合集 #发电机

下一篇《Nano Energy》智能物联网用无摩擦驱动整流自充电超级电容器