西南大学鲁志松教授、乔琰副教授课题组《Nano Energy》：可大规模制备的芯鞘结构微量汗液激发纱线电池

2023-03-02 来源：高分子科技

近年来，智能电子织物作为未来可穿戴领域的一个重要发展方向备受瞩目，之前报道的一维汗液激发电池（SAB）由于其优异的柔韧性、生物相容性和与传统纺织工艺的兼容性等，为满足智能电子织物系统的能源供给需求提供了一条新的途径。然而，人体排汗初始阶段的低功率输出和缓慢低效的激发过程极大地阻碍了其在智能织物电子系统中的应用。

近期，受传统纱线制备方法启发，西南大学材料与能源学院鲁志松教授、乔琰副教授课题组开发了一种可大规模制备的芯鞘结构微量汗液激发纱线电池（SAYB）。SAYB以锌线为阳极、棉纱为隔膜、碳线为阴极连续绕制而成，具有独特的一维线状结构、出色的柔韧性和可洗性。借鉴传统纱线制备方法，SAYB易实现大规模连续化生产，可轻松进行弯曲、缠绕、打结、扭转和清洗等。微量汗液即可从不同部位快速激发SAYB，实现为小型电子元件稳定供能。SAYB与传统纺织工艺兼容，可通过编织、针织和缝纫等方式整合到织物中，形成大面积汗液激发供能面料（SAEF）。SAEF可制成“夜跑头带”，伴随着夜跑过程中头部汗液的分泌，头带上的灯也随之点亮，可为夜跑爱好者提供安全警示和照明。此外，SAEF可进一步通过剪裁和缝纫制成汗液激发供能T恤。当人体运动出汗后，T恤上被激发的SAYB模块可为柔性拉伸运动监测系统供能，实现对运动过程中手臂摆动、呼吸频率等信号的无线传输监测。相关工作以“Scalable, high-performance, yarn-shaped batteries activated by an ultralow volume of sweat for self-powered sensing textiles”为题，发表在《Nano Energy》（Nano Energy 109 (2023) 108304，10.1016/j.nanoen.2023.108304）上。

亮点：

1. 开发了一种芯鞘结构微量汗液激发纱线电池（SAYB）；

2. 小体积激发：SAYB仅需1 μL汗液即可在3 s内被快速激发；

3. 相对高性能：SAYB的最大功率密度为1.72 mW cm^?2，能量容量为15.3 mAh；

4. 柔韧性和可洗性：SAYB可经受多达10000次弯曲循环、2800次360°扭转循环以及20次洗涤而保持性能无显著变化；

5. 大规模制备：借鉴传统纱线制备方法，SAYB实现连续化制备（60 m）；利用传统纺织技术，SAYB被制备成大面积汗液激发供能织物（SAEF：5 m × 0.5 m），并通过剪裁和缝纫与柔性拉伸传感织物集成，定制成适于可穿戴应用的自供能传感T恤。

图1 芯鞘结构汗液激发纱线电池的（a）电池结构、（b）工作原理以及（c）潜在应用

图2 SAYB制备过程、形貌展示以及基本性能。（a）SAYB大规模连续化制备示意图；（b）SAYB实物照片；（c）锌线阳极（左）、碳线阴极（中）和SAYB截面图（右）；当NaCl溶液浓度从25 mM增加到400 mM时，SAYB的（d）极化曲线和（e）功率密度曲线以及（f）内阻和功率密度峰值与NaCl浓度之间的相关性；当SAYB长度从3 cm增加到19 cm时，SAYB的（g）极化曲线和（h）功率密度曲线以及（i）内阻和功率峰值与SAYB长度之间的相关性。注：图d、图e和图f所用器件长度均为5 cm，图g、图h和图i所用NaCl浓度为100 mM。

图3 SAYB的微量汗液激发特性。（a）SAYB自发芯吸皮肤表面汗液的示意图；（b）亲水和疏水棉纱随时间变化的接触角；（c）亲水和疏水棉纱制备的SAYB被1 μL NaCl溶液激发后的输出电压；（d）连续滴加1 μL NaCl溶液（不同位置），SAYB的输出电压；插图：两个串联的SAYB分别滴加1 μL NaCl溶液点亮LED的照片；（e）连续滴加1、5和10 μL NaCl溶液（不同位置），SAYB的输出电压；（f）1、5和10 μL NaCl溶液激发的SAYB的极化曲线和功率密度曲线；（g）连续滴加10 μL NaCl溶液（同一位置），SAYB的输出电压；（h）5组独立SAYB的最大液体存储体积。注：图c和图d中负载=80 kΩ；图e和图g中负载=80 kΩ；

图4 （a）SAYB分别处于弯曲和伸展状态；（b）SAYB分别处于不同扭转角度；（c）10000次循环弯曲的SAYB的恒电流放电曲线；（d）2800次循环扭转的SAYB的恒电流放电曲线；（e）串联电池组的开路电压；（f）并联电池组的功率密度；（g）20次重复清洗对SAYB开路电压的影响；（h）SAYB在电解液连续供应下的长期恒电流放电曲线；（i）串并联电池组为夜跑头带上LED供能；（j）串并联电池组借助升压器为微型电化学工作站和智能手表充电。

图5 SAYB的大规模制备、大面积电池织物以及供能T恤展示。（a）60 m SAYB纺纱锭；（b）SAYBs分别处于弯曲、缠绕、打结和扭转状态；（c）用SAYBs作为纬线编织汗液激发供能织物（SAEF）；（d）5 m × 0.5 m的SAEF；（e）用SAEF定制的供能T恤。

图6 人体可穿戴汗液激发自供能传感系统。（a）汗液激发供能T恤为电子器件供能的穿戴演示；（b）汗液激发供能T恤的正面（织物传感模块）和背面（织物电池模块）；（c）自供能传感系统等效电路示意图；（d）传感系统实时监测身穿汗液激发供能T恤志愿者运动时手臂摆动和腹部呼吸频率。

本研究设计了一种可大规模制备的芯鞘结构微量汗液激发纱线电池（SAYB），它有望作为稳定可靠的一维电源助力可穿戴医疗保健和运动监测应用。西南大学材料与能源学院鲁志松教授与乔琰副教授为共同通讯作者，2020级硕士生巨俊和2019级博士生肖刚为本文的共同第一作者。这项工作得到了“西南大学创新研究2035先导计划（SWU-XDPY22014）”、国家自然科学基金（No. 22272130）、海南省院士工作站以及西南大学生物功能表界面团队的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108304

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（责任编辑：xu）

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