東華大學研究團隊研發出“可發電”的服裝材料
- 可穿戴電子產品、能源產品是最近幾年科技界探索的重點，袖子上的手機、宇航服上的自助生命系統……人們在科幻片上看到的，正走向真實的生活。近日，東華大學材料學院王志宏教授課題組在這一領域又取得突破，團隊研發出了一種“可發電”的服裝材料，使真正的“能源衣”成為現實。
隨著可穿戴電子設備的快速發展，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、難以編織等局限性，柔性隨身能源材料與器件發展獲得了大量關注。但是，目前可穿戴電源的研究多數展示了“佩戴”形式的能源器件，其主要作為服裝的附加品，仍缺乏穿著舒適性。相比之下，服裝本體如果成為現成的物理載體，是更為理想的可穿戴功能集成平臺。
鑒于此，研究團隊認為纖維、紗線、織物等服裝材料將成為新一代發電載體。然而，成熟的發電技術，如光伏、熱電、壓電/摩擦電等，與服裝材料和紡織工業的結合尚存在挑戰。目前能源紡織品難以規模化生產，能源器件的性能易受環境濕度影響，而且尚缺乏利用單根紗線實現發電的技術。因此，“能源衣”的開發一直困難重重。
在實驗中，研究人員利用工業級的紡絲設備，實現了可拉伸摩擦發電紗線的連續化與規模化生產。此類發電紗線由高彈性聚合物材料(橡膠)與螺旋金屬纖維構成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體，通過皮芯結構的設計合二為一，具有協同應變行為。發電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應變下，內部兩類材料間發生電子轉移，可產生毫瓦級的輸出功率。
研究人員深入探討了金屬與非晶聚合物接觸/分離的單電極勢阱模型，發現非晶聚合物不僅作為隔離層防止紗線內場電勢被外界環境氣氛(氣體、水等)消除，其界面的感應電荷竟能夠與外界氣氛分子發生耦合增益，由此首次提出了摩擦發電器件的電勢/極化耦合效應的假設。借助特殊的皮芯結構設計與耦合增益發電機制，研究團隊研發的發電紗線無需借助與其他物體的相互作用即可自發電，并能夠應用于不同氣氛環境甚至是液體中。
在此基礎上，研究人員使用工業級的織樣機將發電紗線進行編織，得到了具有彈性的發電織物，其同樣具有兩棲工作的能力。研究還同時發現，發電紗線亦可與其他市售纖維如尼龍纖維、聚丙烯腈纖維等共同編織，紡織品的透汽性、舒適性、發電功率便可有效調控。現在，研究人員已經可以穿著發電織物制成的“能源衣”，展示其為電子設備鋰電池充電、驅動無線信號傳輸系統、捕捉人體運動姿態等功能。
