摩擦纳米发电机在织物基智能可穿戴中的应用

刘津池 于淼 王侠

摘 要：智能可穿戴技术的快速发展对供能系统适用、经济、环保等提出了更高的要求。因体积大、不耐久、非柔性、不易集成于织物、综合成本高昂，并且单位储能能力有限、电容充电不便，所以现有的原电池、二次电池、燃料电池、储能电池等“化学能-电能”装置，无法满足智能可穿戴设备对能源供给系统的要求。摩擦纳米发电机（TENG）可以将环境中低频机械能转化为电能，且拥有能源供应稳定、经济性好、适用性强、清洁环保等优势。将摩擦纳米发电机集成到纺织品上，持续、稳定提供电能是解决目前织物基智能可穿戴领域供能问题的重要途径。总结了摩擦纳米发电机相比较于传统电池的应用优势，介绍了摩擦纳米发电机的基本工作原理和理论模型，概述了提高摩擦发电性能的方法，详述了其在织物上材料集成与结构设计方式，列举了其集成在纺织品及其他方面上的应用。讨论了目前摩擦纳米发电机在织物基智能可穿戴研究中存在的问题，展望了恒流摩擦纳米发电机等未来研究方向。

关键词：摩擦纳米发电机（TENG）;智能可穿戴;可持续能源;织物基

Abstract：With the rapid development of intelligent wearable technology， higher requirements are proposed for the applicability， economical efficiency and environmental protection of energy supply system. Due to the problems of large volume， poor durability， non-flexibility， difficulty in integrating into fabrics， high cost as well as limited unit energy storage capacity and inconvenience of capacitor charging， existing “chemical energy - electric energy”devices such as primary batteries， secondary batteries， fuel cells， energy storage batteries cannot meet the requirements of intelligent wearable devices for the energy supply system. Triboelectric nanogenerators （TENG） can convert low and medium-frequency mechanical energy into electric energy， with the advantages of stable energy supply， good economical efficiency， strong applicability， cleanness and environmental protection， etc. Integrating the TENG into textiles to provide sustainable and stable electric energy is an important way to solve energy supply problem of fabric-based intelligent wearable devices. This paper summarizes the advantages of TENG，compared with the traditional battery， introduces the basic working principle and theoretical models of TENG， outlines the methods to improve triboelectric performance， describes material integration and structural design methods， and lists TENG application in textile and other aspects. Meanwhile， this paper discusses the problems of TENG in fabric-based intelligent wearable research and expects the future research direction of constant-currentTENG.

Key words：triboelectric nanogenerators （TENG）; intelligent wearable technology; sustainable energy; fabric based

織物基智能可穿戴设备作为互联网技术和现代微智造在纺织服装领域结合的产物，对电能供给系统提出了体积更小、耐久更长、柔性易集成、综合成本低、清洁环保等要求。常规电池通过电化学氧化还原反应将活性材料内储存的化学能直接转换成电能，供能稳定、便捷，能量转换效率高。但是传统电池在电子产品系统设计应用中仍存在诸多缺陷和不足：常规电池的非柔性状态和尺寸公差会降低系统便携程度、缩小其适用范围;电压过低等非常规电池行为及电池泄漏、膨胀等高危失效情景会降低其安全系数;充电或更换电池导致的高维护成本;停电或野外等情况下无法重复充电;废弃电池处理代价高昂、环境污染严重等。太阳能电池受昼夜和天气状况影响大，在很多具体的环境和工作条件下也无法满足织物基智能可穿戴设备的常规需求[1]。而摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators， TENG）无需外界能源补充，可以通过摩擦等低频机械能实现持续自供能，从而实现较高的适用性。打字1 min可产生0.3～1.44 J能量，正常身材男子跑步1 min可以产生300～510 J能量，而智能手机一天消耗的电能约为60 J，所以采集人体日常运动的机械能可以满足绝大部分智能设备的能源供给[2]。从人体和周围环境中获取低频机械能并转化为持续稳定能源，且维护成本低、柔性易集成的摩擦纳米发电机，是一种可靠的替代能源供给选择。

由于智能可穿戴设备直接或间接与人体接触，为避免电流对人体造成伤害，所以该电能供给系统电压不宜过高，功率不宜过大。智能可穿戴设备一般体积较小，以便集成在服装或直接穿戴在身上。因此智能可穿戴设备的供电组应当确保集成程度较高，且有相当好的柔性，对人体的舒适性和运动性能影响小。服装穿着过程中不可避免发生撕扯和拉伸，并且经常需要洗涤，所以智能可穿戴设备供电组件需要有一定耐久度。最后，较低的使用成本也是 很重要的。

摩擦纳米发电机根本原理是利用机械界面接触产生的极化场来驱动电子流动，从而输出电流。本研究围绕织物基智能可穿戴设备供能需求，首先介绍了摩擦纳米发电机的基本工作原理和理论模型，概述了摩擦电材料与电极材料选择主要原则，及一些提高摩擦发电性能的方法，详述了其在织物上材料集成与结构设计主要方式，列举了其集成在纺织品及其他方面上的应用。讨论了目前摩擦纳米发电机在织物基智能可穿戴研究中存在的问题，展望了其未来研究方向。

1 摩擦纳米发电机工作原理与理论模型

1.1 工作原理

利用摩擦电效应和静电感应将两种电子亲缘不同的材料摩擦接触时产生的动能转化为电能。当两种材料在外力作用下发生接触时，由于电子结构不同，电子会在接触界面发生转移，从而在两表面电极上产生感应电势差，使电负性不同的材料表面带有等量正负静电荷，其中电子亲和力较高的材料表面带负电荷，另一个表面带正电荷[3]。当电极短路或通过负载联结时，为维持电极之间的静电平衡，感应电势差驱动自由电子从带负电荷的一侧流出，从而产生电输出。当带电表面被外界机械能驱动与电极之间周期性产生相对位移时，两电极之间的感应电位差会发生周期性变化。因此当系统被周期性施加作用力时，两个背电极间会有电流来回流动，从而实现“机械能—电能”的转换。

1.2 4种理论模型

根据摩擦电材料、电极的结构及它们相对运动方式的不同，摩擦纳米发电机的基本工作模型可以分为垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式、独立层模式，如图1所示。

1.2.1 垂直接触分离模式

在垂直接触分离模式下工作的摩擦纳米发电机中，两种不同的摩擦电材料相互面对、并因外力作用造成接触摩擦，由于两种摩擦材料电荷极性不同，产生电荷转移，使得各自表面带有不同的摩擦电负性，此时电极在两摩擦电材料背面，因而产生电场，造成电势差。正极表面附近电势大于靠近负极表面附近电势，自由电子从低电势电极流向高电势电极，从而消除电位差，实现电势平衡。当摩擦材料作回归原位的运动时，电子回流，在外电路形成反向回流电流。电流输出可表示为[3]：

因为人类运动的本质和重现的简单性，多数摩擦纳米发电机运用这一工作原理，常见包括拱桥型、弹簧型[5-6]。例如，垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机结构可以设计成多层织物或纱线等形式，集成在鞋垫内部从人类行走的步态中获取能量，也可以嵌入织物内部通过挤压或拉伸织物来产生能量，实现系统自供电。

1.2.2 水平滑动模式

在水平滑动模式下工作的摩擦纳米发电机两种不同的摩擦材料完全重合，因外力作用发生摩擦，使二者表面带有不同摩擦电负性。一旦二者出现非重叠的部分，这一部分的表面就会出现电势差，并因此产生外电流，当整个器件做回复原位的摩擦时，在外电路产生反向电流，即电流输出由摩擦电材料之间周期性滑动实现[7]。这一摩擦纳米发电机设计模式可以从平面滑动、轴心旋转等多种途径获取机械能，可用性较大。且该模式下摩擦更大，供能效率更高。但摩擦力越大导致材料磨损越快，使得系统使用寿命较短。滑动相较于接触摩擦等所需作用空间更大，故系统体积较其他模式大。

1.2.3 单电极模式

单电极模式只需要一个电极与摩擦层直接作用，摩擦电材料不需要附着外部电负载。当摩擦发生之后，若造成摩擦的二者處于分离过程中，则产生电荷转移;当二者重新接触，则电荷经由底部电极转移以平衡电势分布，使电子在电极之间流动[8]，重复该动作模式，即可输出交流电。这一模式中介质不需要电连接或电极，并且可以实现无障碍自由移动，最宜用于收集作用方向与方式具有随意性的外接机械能，在实际使用中限制条件最少。一般可以与垂直接触分离模式、水平滑动模式结合应用，但因电势变化均发生于一个电极上，所以该模式输出功率低于其他模式。并且电极与介质材料过于接近时，电场被主电极屏蔽会导致电容减小，输出功率进一步下降。

1.2.4 独立层模式

独立层模式中摩擦层是独立的，不与电极接触。通过静电感应产生的电势差驱使电子流动。与单电极模式相比，独立层模式两个电极都有电位变化，没有屏蔽效应，因此输出性能更好。由于摩擦层不直接与电极发生接触，因此该模式能源转换效率高、输出性能稳定、器件使用寿命长。可与接触分离模式结合，收集人步行和汽车行驶的能量。

每一种摩擦纳米发电机理论模型有优势，亦有短板。总结如表1。

在实际应用中，可根据使用场景结合多种理论模型，设计最优化摩擦纳米发电机模型。

2 性能提升策略

摩擦纳米发电机输出功率大小与表面电荷密度、结构尺寸、界面结构周期数以及相对运动速度等呈正比[3]。材料本征属性是表面电荷密度的主要决定因素，直接影响了系统电输出性能。该部分从摩擦材料种类、摩擦表面的图案化微结构、摩擦表面纳米复合结构等3个材料本征属性角度分析表面电荷密度决定因素。

2.1 基于摩擦电序表的摩擦材料选择

摩擦电荷密度可以通过摩擦材料选择、表面修饰和改性提升。不同材料电荷属性不一致，用于摩擦纳米发电机系统时也会造成不同的摩擦电密度。摩擦所产生电荷的极性和大小对摩擦材料的成分、摩擦材料间的离合过程和周围的环境条件极敏感[9]。并且单一结构层器件不会产生电力输出，因此系统中摩擦电材料至少应当包含两种不同摩擦电属性的材料[10-11]。如图2所示，排名越靠前的材料越容易失去电子，排名越靠后的材料越容易得到电子[12]。一般根据图2摩擦电序列表，当列表两端的材料相互摩擦时，顶端的材料失去电子带正电，底端的材料得到电子带负电。在排序中两材料相距越远，其发生摩擦时电子转移趋势越大。并且根据接触材料的摩擦电特性，每一种材料都可以带正电荷或者负电荷[10]。

2.2 摩擦表面图案化微结构

构造摩擦表面图案化微结构可以提升材料表面粗糙度、增大摩擦面积，从而提升摩擦表面电荷密度，增强系统电输出性能。粗糙的摩擦表面在同等作用条件下能够增大摩擦阻力，减弱摩擦材料对电荷的束缚，促进电荷转移;并且在宏观面积一定的条件下，通过制造微观立体结构，可以增大总的摩擦面积，增加单位电荷量。恰当的摩擦表面图案化微结构还能够延长摩擦纳米发电机使用寿命[14]。如图3（a）通过引入纳米线/金字塔阵列来增大摩擦材料表面粗糙度，提高单位面积有效接触面积，从而提升电荷总量，增大电流输出[14];图3（b）在摩擦纳米发电机结构中引入液态金属，使固固摩擦转变为固液摩擦，有效避免了不良触点的影响，可以获得高电荷密度和高瞬时能量转换效率[15-16];图3（c）在摩擦纳米发电机中引入硅胶等软质材料，得到适宜应用于智能可穿戴器件的纤维状摩擦纳米发电机[17]。另外，光、等离子体、电化学等蚀刻方式，也能够增加摩擦电荷密度，提升电输出性能，但设备昂贵、工艺复杂、处理成本极高，难以推广应用[18]。

2.3 摩擦材料纳米复合结构

先进的纳米复合结构可以一定程度提升摩擦表面电荷密度。用纳米颗粒修饰聚合物薄膜，形成纳米电容器复合结构，增强聚合物薄膜对电荷的束缚能力，提升薄膜在摩擦或高压极化后的表面电荷密度，实现高效的电转化效率[19-20]。如图4（a）所示，用自组装单层膜、硫醇、硅烷等分别修饰导电材料Au、电介质材料SiO2表面，能够有效提高复合材料介电常数，从而提升其电荷捕获能力。图4（b）所示，復合材料的多层次结构能够分解无规则人体运动对某特定部位的压力，从而提升该结构摩擦纳米发电机可集成性与柔性，并且大大延长摩擦纳米发电机器件使用寿命[21]。在实际应用中，构建纳米复合结构这一方式适用性、经济性更好。

2.4 其他策略

摩擦纳米发电机的结构周期密度也是影响其电输出性能的主要参数。在水平滑动模式下，可以通过构造线型光栅结构来减少相同表面积下设备操作所需的滑动距离，并增强电流输出信号。电流频率、振幅与光栅大小和数量呈正比。摩擦面尺寸越大，单位表面电荷密度下，总的电荷量越大。摩擦面相对移动速度越大，电输出性能越高。

3 织物基摩擦纳米发电机结构设计方法及相关应用

织物基摩擦纳米发电机将织物的柔性与摩擦纳米发电机的发电功能结合，制造过程简单，电输出功率较高，应用场景广泛。并且织物基摩擦纳米发电机一般具备良好生物相容性和可穿戴性，在可穿戴电子领域具有巨大潜力。织物被当作摩擦电材料时，一般充当摩擦纳米发电机的固定部分或者做垂直接触分离模式和单电极模式的游离层。波纹结构的摩擦纳米发电机可以在横向拉伸和释放模式下工作。摩擦纳米发电机织物作为提供机械支撑的基体时，选择另一种有更好摩擦电性能的材料附着在织物上可以显著提高摩擦纳米发电机输出性能。当摩擦纳米发电机在纺织品上集成时，大都充当自供能系统的能源采集器、自供能传感器。

织物作为基底或载体，在其表面涂覆其他材料充当摩擦纳米发电机摩擦层与电极，构建摩擦纳米发电机体系。这一体系中，微观上天然具备特殊微结构的织物表面，能够增加有效接触面积，从而增大输出电流。但涂覆材料会降低织物本身的弹性、柔软性、透湿透气性等性能，降低该织物制得服装的可穿性。

3.1 静电纺制备摩擦纳米发电机纤维

利用静电纺丝制备所得微纳尺度纤维具有结构粗糙、比表面积高、透气性好、易于改性，并且该制备方法有设备简单、成本低廉、工艺简便易推广等优点[22]。以此纤维为基础，可以得到极大程度发挥理论功效的摩擦纳米发电机，所以越来越多研究者开始着眼于推广静电纺技术在摩擦纳米发电机纤维制备中的应用，表2是近年来学者们的相关研究。

纤维基摩擦纳米发电机兼具优良的电输出性、柔性[31]，有助于智能可穿戴设备进一步微型化、集成化。其优异的可加工性能大大提升了可穿戴器件的生物相容性，也为智能服装社会化生产奠定了基础[32]。

3.2 织物基摩擦纳米发电机研究应用实例

摩擦纳米发电机纤维用于织造智能可穿戴服装时，纺织工艺及纱线结构、面料结构等会很大程度影响其输出效率。Kwak等[33]研究发现，三维结构织物基摩擦纳米发电机输出电压是二维织物结构的两倍以上。Chen等[34]研究表明，平纹织物基摩擦纳米发电机电流输出性能大于缎纹、斜纹织物。表3是一些应用在服装服饰上的织物基摩擦纳米发电机的研究及相关分析。接着详细介绍了其中较有代表性的纤维基摩擦纳米发电机及相关应用、“平织”层叠式摩擦纳米发电机和核-壳同轴式摩擦纳米发电机及相关应用、摩擦纳米发电机供电的运动鞋快速消毒系统等。

3.2.1 基于单电极纤维基摩擦纳米发电机的手势识别智能手套

纤维基摩擦纳米发电机具备所有必要组件，不需要任何外部材料协同作用即可独立发电。Xie等[44]设计了单电极纤维基摩擦纳米发电机，将螺旋钢丝接地，皮肤作摩擦材料。如图5（a）所示初始状态下，当皮肤接触到硅橡胶时，负电荷保持在硅胶表面，正电荷留在皮肤上。短路条件下，电子从导电丝上传导至地面，正电荷在电极聚集，当皮肤离硅胶表面足够远时，螺旋钢丝电极电阻达到最大值，然后皮肤表面电子反向流动。当皮肤回到原位，与带电表面再次接触，回到初始状态。皮肤、电极间连续接触-分离，使得螺旋钢丝电极与地面间发生电子往复运动，从而产生交流电流和功率输出。该类型摩擦纳米发电机具有对低频运动的高灵敏度和快速响应、恢复时间，可以作为主动物理运动和人机界面传感器[45-46]。如图5（b）所示，将其集成在智能手套中，实现手势感应。平行连接的摩擦纳米发电机与手指位置对应，缝在手套背面。如图5（c）所示，当手指弯曲或者伸直时，皮肤和摩擦纳米发电机接触面积会发生变化，实时电压也会相应发生变化，从而实现不同手势的感应。当手指弯曲时，其他手指也会有轻微共振反应。结果表明，智能手套弯曲状态电压明显高于不动状态下电压，因此智能手套能够有效识别手指弯曲的真实状态。智能手套增加弯曲手指数量及相应电输出的增加分别为：1个（3 V）、2个（9 V）、3个（14 V）、4个（20 V）和5个（32 V）。后续可以对这方面做更多的可行性研究，扩大至手势姿态识别。

3.2.2 平织层叠式摩擦纳米发电机和核-壳同轴式摩擦纳米发电机

从纺织角度来看，恰当的面料结构、纱线形态均可提升摩擦纳米发电机性能。田竹梅[42]分别从织物、纱线层面设计了新的摩擦纳米发电机结构，有效增强了系统输出电信号。首先新的摩擦纳米发电机织物结构，如图6（a），利用平织法制备了纬线为PET镀镍导电布的层叠式摩擦纳米发电机，每两层平织摩擦纳米发电机组织中间加入硅胶绝缘薄膜。如图6（b），该模型下电荷来源途径较多：摩擦电极序不同的皮肤与摩擦纳米发电机组织、平织摩擦纳米发电机织物经纬纱间、纬线与硅胶薄膜等三条路径均会发生接触-分离，产生电势差，使电荷由低电势电极向高电势电极转移，在外电路中实现周期性电流输出。兼具3种相对独立的电荷流通路径，能有效放大电流信号，大大提升系统电输出功率[42]。如图6（c）所示，设计了一个核-壳同轴式纱线基摩擦纳米发电机结构，同心内外轴复合，内轴以硅胶空心圆管为基底，微表面粗糙的聚酯镀镍导电布为摩擦正性材料和内电极。外轴以硅胶空心圆管为基底及摩擦负性材料，其外涂敷导电硅胶为外电极。系统受外力发生形变时，内管内电极与外管硅胶材料接触，电子从内电极表面转移至硅胶表面。外力撤销时，内外管分离形成电势差，电荷经外电路从外电极流向内电极。当系统再次形变时，电子经外电路从内电极流向外电极，在外电路产生反向电流。经反复外力作用，电路中产生周期性交流电信号。如图6（d），该核-壳同轴式摩擦纳米发电机可采集按压、弯曲、扭動等能量信息，并根据不同角度变化输出信号强度、频率实现角度传感，检测关节运动角度等信息，为运动训练或身体康复训练提供指导。

3.2.3 摩擦纳米发电机供电的运动鞋快速消毒系统

织物基摩擦纳米发电机最大的应用场景当属服装服饰各个领域。Chiu等[43]利用纳米线增强摩擦纳米发电机电场，结合电穿孔效应与可控过氧化氢反应，实现运动鞋的快速消毒杀菌。如图7（a）该系统中摩擦纳米发电机夹在两层涤纶织物中间，形成可穿戴纤维电穿孔装置。图7（b）多层摩擦纳米发电机结构叠加可以放大电流，增强消毒杀菌效果。多个摩擦纳米发电机系统呈书架“之”状结构能够进一步增强电流。图7（c）自供电消毒杀菌组件系统，左下部位为系统控制和能源储存部件，左上角则是一块编织有导电纤维的织物。复合摩擦纳米发电机结构附着在鞋垫上，在步行状态下产生电信号，一方面作能源转换器件收集能源，另一方面能够直接对鞋垫部位进行消毒杀菌，另一端的导电织物则是对其覆盖部位进行消毒。图7（d）则是应用在服装和运动鞋上的自供电快速消毒杀菌系统实物图。

在现有理论模型基础上提升织物基摩擦纳米发电机适用性的同时，难以兼顾其供能效率及工艺成本等。所以选择最佳电极、摩擦材料，开发新的摩擦纳米发电机组合形式是提升效率、控制其推广成本的最佳途径。

4 结 语

随着人们对智能可穿戴设备持续稳定供能需求的愈发迫切，通过柔性织物基摩擦纳米发电机为相关电子器件提供能源已成为重要选项。摩擦纳米发电机不仅具有重量轻、材料选择丰富、结构灵活、易于制造、成本低等优点，并且拥有传统电池不具备的高柔性、供能稳定、经济性好、适用性强、清洁环保等特性，在相当多研究中已经进入生活场景试用阶段，且能源供给表现较好。但仍存在一些不足与缺陷。

4.1 当前阶段摩擦纳米发电机不足与缺陷

当前阶段，摩擦纳米发电机系统普遍电流输出功率较小，需要进一步提升摩擦电荷密度。人体活动的随机性使得每一摩擦周期中摩擦力度、接触角度等存在不可确定的差异，从而导致摩擦纳米发电机输出功率不稳定。摩擦电系统电回路中电阻抗性过大，难以对电子元件直接、有效供电，所以这一系统现阶段一般用于小功率的实时传感等领域。由于低频能源转换得来的电流功率过小，难以用于充能，使得基于摩擦纳米发电机的整套能源供应配套系统开发仍存在推广瓶颈。实际应用中上，摩擦纳米发电机输出电信号大多为交流电信号，需要外接整流桥或电容器等，不利于微型化应用。

将摩擦纳米发电机复合在织物上也必然面临电子器件的适体性问题：剪裁可能切断其电流回路、撕扯可能打乱其稳定结构、洗涤可能降低其性能及耐久度、与人体直接接触也需要考虑到穿着者安全与舒适性等方面的状况。

4.2 发展趋势及应用

针对这些瓶颈，可以通过结合多种摩擦纳米发电机模型、改造摩擦面形态等方式，适应人体运动随机性;选用恰当的摩擦层、介质材料有效降低电回路电阻;通过提高摩擦表面电荷密度、加快摩擦周期、增大摩擦面积等方式增大输出电流功率;基于当前系统电流实时输出的特性，设计能源储存调配系统适配能源发生系统，最终设计出兼具优异电输出性能与织物性能的织物基摩擦纳米发电机。在能源转换上，可以加大不需要外接电容器的恒流摩擦纳米发电机等新型结构研究力度，推动智能可穿戴设备自驱动系统小型化。

从能源采集角度，拓展电荷来源方式。未来织物基摩擦纳米发电机的研发除采集人体运动产生的摩擦、压力等无规则能源外，还可以考虑从更广泛的领域得到初始能源，包括雨滴坠落、风能等低频能源、光能、局部温差供能、人体呼吸、血液流动、超声波等。在同一摩擦纳米发电机中设计相对独立的多条电荷流通路径，放大电流输出信号。

在应用场景角度，绝大部分能够运用纺织材料的领域均有应用摩擦纳米发电机的前景。也需要考虑拓展摩擦纳米发电机应用形式，设计、构建更多摩擦纳米发电机应用模型，如医疗设备（给药进度、植入设备供电）、身体康复训练、疾病预警、体育训练指导等。结合织物的产业化用途，在产业纺织品上集成摩擦纳米发电机，如转换桥梁缆绳摩擦、拉扯、撕裂等状态变化为电信号，实时监测，提前预警，以便采取相关措施避免事故发生。

从环保角度来说，减少环保性欠缺的聚合物使用，改用可降解的天然木材[47]等环境友好型材料作为摩擦材料，有助于实现智能可穿戴领域的可持续性发展。

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