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  市場上的可穿戴電子產(chǎn)品主要以商用紐扣電池和微型鋰離子電池為電源，其尺寸、厚度、重量、剛性以及堿性電解質(zhì)的使用極大阻礙了它們在皮膚界面可穿戴電子器件中的應(yīng)用。近年來，以二維紙張、紡織品為汗液吸收層和電極隔離層的汗液激發(fā)電池（SAB）引起了人們的關(guān)注。然而，與傳統(tǒng)紡織工藝兼容、且可為織物電子器件供能的一維SAB尚未見報(bào)導(dǎo)。

  近期，西南大學(xué)魯志松教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種柔性、可編織和大規(guī)模制備的紗線基汗液激發(fā)電池（CYSAB），其結(jié)構(gòu)包括炭黑修飾區(qū)段、鹽橋區(qū)段和鋅箔包裹區(qū)段。棉質(zhì)紗線作為良好的親水性基材，在人體出汗時(shí)可吸收汗液激發(fā)CYSAB產(chǎn)生電能。串并聯(lián)多個(gè)CYSAB可形成電池組，實(shí)現(xiàn)為小型電子元件供能。通過一體化設(shè)計(jì)，可在單根紗線上制備多個(gè)CYSAB，并可利用紡織工藝將其編織入面料中，從而實(shí)現(xiàn)CYSAB與傳統(tǒng)紡織工業(yè)的融合。使用CYSAB編織的供能織物可設(shè)計(jì)為頭帶和胸帶，用于志愿者運(yùn)動(dòng)分泌汗液的采集，為小型電子器件供能。整合CYSAB供能織物與拉伸型織物應(yīng)變傳感器，可實(shí)現(xiàn)志愿者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穿戴式自供能監(jiān)測。相關(guān)工作以“A Weavable and Scalable Cotton-Yarn-Based Battery Activated by Human Sweat for Textile Electronics”為題，發(fā)表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2022, 2103822，10.1002/advs.202103822）。

圖1. 分段結(jié)構(gòu)棉紗基汗液激發(fā)電池的設(shè)計(jì)思路、電池結(jié)構(gòu)及其工作原理。

  人體汗液富含陰陽離子，是一種生物相容性極佳的天然電解質(zhì)水溶液。當(dāng)其被紗線吸收后，可儲存在纖維間隙中并以之為通道進(jìn)行傳輸。在這一過程中，汗液中的離子會(huì)隨之在紗線纖維通道中自由移動(dòng)。因此，浸潤汗液的紗線可作為鹽橋連接并隔離電池兩極。受傳統(tǒng)原電池結(jié)構(gòu)啟發(fā)，作者設(shè)計(jì)了一種分段式結(jié)構(gòu)CYSAB，其中炭黑改性的前段紗線、未修飾中段紗線和鋅箔包裹后段紗線分別充當(dāng)電池的陰極、鹽橋和陽極。在汗液存在的情況下，紗線可吸收汗液激活CYSAB并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電。

圖2 汗液的蒸發(fā)與電池放電時(shí)間的評估。

  CYSAB的激發(fā)在很大程度上依賴于電解質(zhì)溶液的芯吸和離子在水溶液中的遷移。因此，開放環(huán)境中溶液的蒸發(fā)會(huì)影響電池性能。在實(shí)際應(yīng)用中，水的蒸發(fā)會(huì)受到溫度、風(fēng)速和濕度等多種因素的影響。研究結(jié)果顯示，當(dāng)CYSAB中電解質(zhì)溶液體積低于15 μL時(shí)，電池輸出性能將迅速下降為零。從微觀角度看，當(dāng)電解質(zhì)溶液進(jìn)入紗線后，會(huì)在纖維表面形成由斯特恩層和擴(kuò)散層構(gòu)成的雙電層，其厚度由德拜長度來定義。隨著電解質(zhì)溶液的蒸發(fā)，液體層厚度不斷減小，當(dāng)其接近德拜長度時(shí)，陽極和陰極之間的電荷轉(zhuǎn)移將受到影響。此時(shí)，CYSAB將不再工作，直到補(bǔ)充了新的電解質(zhì)溶液后，電池方能被再次激活。

圖3 CYSAB的柔性供電測試及其大規(guī)模制備。

  CYSAB可耐受機(jī)洗，且可在動(dòng)態(tài)循環(huán)彎曲狀態(tài)下為計(jì)算器供能。電解質(zhì)持續(xù)供應(yīng)的CYSAB可耐受高達(dá)20?000次彎曲，其恒流放電性能無明顯下降。此外，可將多個(gè)CYSAB串聯(lián)或并聯(lián)為電池組，從而實(shí)現(xiàn)對其輸出功率或輸出電壓的提升。通過分段式設(shè)計(jì)，可在同一根紗線上制備多個(gè)CYSAB，以滿足后續(xù)編織應(yīng)用的需求。

圖4 CYSAB供能織物及其人體可穿戴自供電演示。

  利用傳統(tǒng)紡織工藝（如編織、針織、縫紉和縫合）可將一維CYSABs輕松集成到電子織物中。結(jié)合紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將織物上的CYSAB定制為不同的圖案，從而滿足功能性和美學(xué)要求。得益于織物的紗線交織結(jié)構(gòu)，制備的CYSAB供能織物具有優(yōu)異的柔性和共形性，在扭曲、波浪彎曲和折疊狀態(tài)下均可為LED燈供電。將LED與CYSAB組件串聯(lián)可制成頭帶，當(dāng)頭帶吸收志愿者汗水后可激活CYSAB為LED供能。

圖5 汗液激發(fā)自供能應(yīng)變傳感織物對志愿者肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和呼吸頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

  為了進(jìn)一步證明汗液激發(fā)能源織物（SAEF）的應(yīng)用潛力，作者將SAEF與紗線基應(yīng)變傳感器集成于自供能織物傳感系統(tǒng)中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測志愿者運(yùn)動(dòng)期間的膝蓋彎曲行為和呼吸模式。

  本研究設(shè)計(jì)了一種新型一維紗線基汗液激發(fā)電池（SAB），它可作為生物相容性好、可靠性佳的電源整合到電子織物中，在自供能人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和醫(yī)療保健領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。西南大學(xué)材料與能源學(xué)院魯志松教授與喬琰副教授為共同通訊作者，2019級博士生肖剛和2019級碩士生巨俊為本文的共同第一作者。這項(xiàng)工作得到了西南大學(xué)生物學(xué)雙一流學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)、重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中央高�；緲I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103822

  下載：A Weavable and Scalable Cotton-Yarn-Based Battery Activated by Human Sweat for Textile Electronics