柔性可穿戴能量收集研究获得新进展

近日，中山大学材料科学与工程学院衣芳教授课题组在柔性可穿戴能量收集方面取得新的研究进展：系统研究阐述了参比电极对单电极摩擦纳米发电机性能的影响并提出了优化策略；发展了一种透气编织型柔性可穿戴复合式能量收集器件并设计了匹配优化的能量管理系统。

参比电极对单电极摩擦纳米发电机性能的影响及优化策略

参比电极对单电极摩擦纳米发电机电输出的影响部分图举例

当前全球能源危机使得新能源的研究备受关注，摩擦纳米发电机由于具有输出效率高、构建简便、成本低、质量轻巧、工作模式多样、选材广泛等优点，成为机械能收集、自驱动运动传感器、自供电可穿戴设备等领域备受关注的新技术。其中单电极摩擦纳米发电机（single-electrode triboelectric nanogenerators, 简称SETENGs）因为结构简单，工作时其中一个摩擦部件运动不受限制等优点而应用场景特别广泛，特别是在目前新兴的柔性电子领域具有巨大的应用潜力。关于SETENGs的理论模拟研究对于其实际应用具有重要的指导意义。目前SETENGs的理论模拟研究默认将与主电极等尺寸的参比电极放置于主电极下方进行SETENGs的相关研究分析；然而，器件在实际应用中，尤其是在柔性电子领域，为了密封性和便携性，参比电极常常需要跟主电极集成在一起并且排布方式多样，参比电极的位置分布、间隙距离、尺寸大小、形状等可能都会对器件输出性能产生影响，而这些影响还缺少系统研究并且相关机理机制尚不清晰。因此研究参比电极对SETENGs输出性能的影响对器件结构设计和实际应用具有重要指导意义。

鉴于此，衣芳教授课题组深入系统地研究了参比电极的位置、尺寸、形状等因素对SETENGs输出性能的影响，通过理论模拟和实验验证对相关影响原理进行了详细地阐述和分析，探究得到器件的最优输出性能并且提出了相应的器件结构优化设计策略，该研究工作对SETENGs实际应用研究中的输出性能优化提供了有力的理论依据和指导，也为器件结构设计合理性和最优性提供了坚实的理论支持。

相关成果以“Influence of the Reference Electrode on the Performance of Single-Electrode Triboelectric Nanogenerators and the Optimization Strategies”为题发表于期刊Advanced Science，第一作者为中山大学材料科学与工程学院硕士研究生陈泽桐（目前已毕业）；通讯作者为中山大学材料科学与工程学院衣芳教授、南京理工大学戴可人副教授、清华大学王晓峰研究员；中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金的支持。

透气编织型柔性可穿戴复合式能量收集器件及其优化的能量管理系统

透气编织型柔性可穿戴复合式能量收集器件及其自充电系统总览

柔性可穿戴复合式能量收集器件是具有巨大潜力的可穿戴电子设备能源供给器件，它们能够同步或互补地收集利用更多能量来源，有效规避了单一可穿戴能量收集器件的不连续能源供给问题。摩擦纳米发电机(TENGs)与生物燃料电池(BFCs)的复合能量收集具有广阔的应用前景，然而，目前存在两个主要的挑战。首先，两种能量收集器件的电输出严重不匹配，而目前尚未有对两种器件复合的优化能量管理被研究报道。其次，以前报道的TENG-BFC可穿戴复合式能量收集器件大多基于平面结构，缺乏透气性，不仅影响佩戴舒适性而且可能诱发皮肤疾病。

为此，衣芳教授课题组报道了一种由织物型摩擦纳米发电机(T-TENG)和纤维型生物燃料电池(F-BFCs)编织而成的新型透气可编织柔性可穿戴复合式能量收集器件（BWHEH），该器件具有良好的透气性、柔韧性、舒适性。研究设计了匹配和优化TENG和BFC两种器件输出特性的能量管理电路，大大提高了复合式能量收集器件的输出功率，显著降低了有效内部阻抗，实现以稳定的直流电源可持续地为电子设备供电，而且提高了TENG-BFC复合式能量收集器件作为电源的可靠性、稳定性、噪声和精度。详细阐释了TENG-BFC复合的能量管理原理。所设计制备的BWHEH自充电能量管理系统可以通过收集人体运动能和人体汗液能为常见便携式电子设备持续供电。这项工作为能量收集提供了新的途径，并为大功率复合式能量收集器件提供了基础指导。

相关研究成果以“A breathable and woven hybrid energy harvester with optimized power management for sustainably powering electronics”为题发表在期刊Nano Energy，第一作者为中山大学材料科学与工程学院在读硕士研究生卓静婷；通讯作者为中山大学材料科学与工程学院衣芳教授、清华大学王晓峰研究员；中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金的支持。