可穿戴电子设备的蓬勃发展对便携、可持续的个人能源供给提出了迫切需求。传统刚性电池存在体积笨重、安全性有限、无法在户外或离网环境中自充电等局限，而集成能量采集与存储于一体的纺织品能源系统正成为未来个人能源供应的理想方案。然而，该类系统长期面临能量采集与存储单元之间的电压/阻抗不匹配、柔性封装与透气/可洗/长期稳定性的平衡困难，以及高性能功能材料成本高、连续制备与规模化生产难度大等共性挑战。
针对上述瓶颈，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所董凯研究员团队提出了一种基于“采集-管理-存储”一体化策略的自充电动力纺织品。该体系采用纤维状摩擦纳米发电机（F-TENG）配合能量管理模块，高效收集人体运动机械能；同时，通过锌离子辅助的海藻酸钠/聚乙烯醇（SA/PVA）水凝胶电解质原位快速交联策略（凝胶化时间＜5秒），实现了纤维状锌离子电池（F-ZIB）的可扩展连续化制造。该水凝胶电解质构建了连续的锌离子传导通道，使F-ZIB在0.2 A g-1下循环100次后容量保持率达95.7%，在2 A g-1下循环1000次后仍保持86.5%，并展现出良好的环境耐受性。通过将F-ZIB与F-TENG共编织，该动力纺织品实现了协同、长期稳定运行，可成功为智能手机、智能戒指、AI眼镜等商用设备供电。该研究为下一代自供电可穿戴系统提供了一种普适、通用的能源解决方案。
2026年6月23日，相关研究以“Scalable Production of Motion-Enabled Self-Charging Power Textiles with Highly Durable Zinc-Ion Fiber Batteries”为题发表在Advanced Materials上。
1. 一体化自充电动力纺织品的设计理念
研究团队提出的“采集-管理-存储”闭环系统，将能量采集、管理模块与储能单元在纤维尺度上结构共融于织物中，实现了一体化能源纺织品（图1a）。F?TENG采用乙基纤维素/镀银聚酰胺（Ag-PA）纱线构成的皮-芯异质结构（图1b,d），利用乙基纤维素的强正电性和Ag-PA的高导电性，高效将运动能转化为电能。F-ZIB则以锌离子交联的SA/PVA水凝胶电解质为核心（图1c,e），该电解质可在纤维电极表面秒级原位凝胶化，形成三维互联网络，不仅建立了稳定的锌离子高速传输通道，还在电极-电解质界面产生强物理/化学键合，赋予电池优异的电化学稳定性和快速离子传输动力学（图1f）。
图1. 运动驱动自充电动力纺织品的设计。（a）整体结构示意；（b）F-TENG结构；（c）F-ZIB结构；（d）F-TENG截面；（e）SA/PVA水凝胶电解质及锌离子交联；（f）综合性能雷达图。
2. F-ZIB的可扩展制备与SA/PVA水凝胶电解质特性
为实现规模化连续生产，团队设计了如图2a所示的F?ZIB制备流程：以钛丝和锌丝为集流体，棉纱缠绕锌丝作为隔膜和凝胶载体，五氧化二钒涂覆钛丝为阴极，经螺旋缠绕形成双螺旋结构，随后浸渍SA/PVA混合溶液并利用Zn2+快速交联形成凝胶电解质，最后通过光固化树脂形成致密保护层。该工艺中，SA/PVA水凝胶的凝胶化时间小于5秒，远超已有报道的Zn2+交联藻酸盐体系。XPS和拉曼光谱分析（图2g,h）证实，SA/PVA水凝胶中同时存在强配位键（SA-Zn2+）、弱配位键（PVA-Zn2+）以及丰富的氢键网络，形成稳定的三维多孔结构（图2f）。该协同网络有效束缚了自由水，抑制了析氢和腐蚀等副反应。
图2. F-ZIB的制备与SA/PVA水凝胶表征。（a）制备流程；（b）SA/PVA网络结构；（c）主要结合键；（d）混合溶液；（e）凝胶化后结构；（f）SEM及EDS；（g）XPS Zn 2p谱；（h）拉曼光谱。
3. 电化学性能与理论计算
Tafel曲线（图3a）显示SA/PVA电解质的腐蚀电流密度（1.65 mA cm-2）显著低于SA（3.18）和PVA（2.87），腐蚀电位正移，表明抗腐蚀能力增强。线性扫描伏安（图3b）表明析氢反应被有效抑制。锌离子迁移数（图3c）达0.714，高于多数报道。脱溶剂化能（图3d）在SA:PVA=1:1时降至最低（34.3 kJ mol-1），归因于协同作用对溶剂化鞘的有效破坏。密度泛函理论计算（图3e-l）表明，SA/PVA对Zn2+的结合能（?47.29 kJ mol-1）远高于SA（-22.25）和PVA（-17.82），且优先吸附于Zn（002）晶面，形成贫水界面，抑制副反应。电荷密度差和电子局域函数证实了强化学锚定与均匀电场分布。
图3. 不同水凝胶电解质的电化学性能与第一性原理计算。（a）Tafel曲线；（b）LSV；（c）Zn2+迁移数；（d）脱溶剂化能；（e）ESP分布；（f）结合能；（g）分子轨道能级；（h）吸附能；（i-l）电荷密度差及ELF。
4. F-ZIB的沉积形貌与循环稳定性
SEM（图4a,b）显示，在SA/PVA电解质中循环50次后锌阳极表面平坦均匀，而SA和PVA中则出现粗糙和片状沉积。XRD（图4c）表明SA/PVA诱导Zn沿（002）晶面优先沉积，抑制了枝晶和副产物的生成。对称电池在0.8 mA cm-2下可稳定循环超过700小时（图4d），库仑效率（图4e）在700次循环中保持稳定。以V2O5为阴极的全电池（图4f-i）在0.2 A g-1下100次循环容量保持95.7%，2 A g-1下1000次循环保持86.5%。倍率性能优异（0.5 C至6 C，容量恢复93.2%），自放电24 h后容量保持93.5%。在弯曲变形（120°，0.5 Hz）下循环1000次后容量保持85.2%，与静态（86.5%）几乎一致。该性能在已报道的纤维锌离子电池中处于领先地位（图4j）。
图4. 沉积形貌与循环性能。（a,b）SA和SA/PVA中Zn沉积示意图及SEM；（c）XRD；（d）对称电池循环；（e）库仑效率；（f）CV；（g）2 A g-1下长循环；（h）倍率性能；（i）自放电；（j）与文献对比。
5. FTENG的制备与输出性能
F?TENG采用Ag-PA纱线为芯，乙基纤维素（EC）为鞘的芯-鞘结构（图5a）。EC通过氢键和疏水相互作用与PA紧密结合，乙二醇作为增塑剂防止分层。该涂层工艺可连续化生产，长度超过100米（图5c）。XRD和拉伸测试（图5d,e）表明涂层不影响纤维力学性能。5×5 cm织物与FEP膜接触-分离测试（图5f?h）显示开路电压约100 V，短路电流0.27 μA，转移电荷38 nC。最大功率密度22 mW m-2（图5j）。在1500秒连续冲击和3次水洗后输出稳定（图5k，图S30）。
图5. F-TENG的制备与性能。（a）制备流程；（b）EC与PA分子间作用；（c）照片及SEM；（d）XRD；（e）应力-应变曲线；（f-h）不同频率输出；（i）不同对磨材料；（j）负载匹配；（k）稳定性。
6. 集成纺织品能源系统
将F-TENG织物、能量管理模块和F-ZIB织物集成于一体（图6a）。能量管理模块（图6c,d）将F?TENG的高压脉冲交流电整流、降压为稳定直流，充电效率提升5.8倍（图6e）。该集成系统在模拟人体运动下成功为智能手机（图6f）、智能戒指（监测心率、血氧等，图6g）和智能眼镜（实时翻译，图6h）持续供电，展示了从人体运动到可穿戴设备供电的完整闭环。
图6. 集成纺织品能源系统。（a）实物照片；（b）能量流示意图；（c）管理电路；（d）柔性模块；（e）管理前后充电电压对比；（f-h）驱动智能手机、智能戒指和智能眼镜。
结论
本研究报道了一种可扩展生产的运动驱动自充电动力纺织品，融合了三项创新：（1）Zn2+触发SA/PVA水凝胶电解质秒级凝胶化（＜5 s），实现纤维电池连续制造；（2）EC/Ag-PA皮-芯F-TENG匹配快速涂覆工艺；（3）柔性管理模块实现共编织闭环系统。该工作解决了可穿戴自充电纺织品长期面临的规模化生产与耐久性难题，为下一代智能纤维及集成可穿戴系统提供了重要的能源解决方案。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73836
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