2022-1-11-16:01

电化学应用--->可编织与大规模制备的纱线基汗液激发电池

近期,西南大学鲁志松教授团队开发了一种柔性、可编织和大规模制备的纱线基汗液激发电池(CYSAB),其结构包括炭黑修饰区段、盐桥区段和锌箔包裹区段。棉质纱线作为良好的亲水性基材,在人体出汗时可吸收汗液激发CYSAB产生电能。串并联多个CYSAB可形成电池组,实现为小型电子元件供能。通过一体化设计,可在单根纱线上制备多个CYSAB,并可利用纺织工艺将其编织入面料中,从而实现CYSAB与传统纺织工业的融合。使用CYSAB编织的供能织物可设计为头带和胸带,用于志愿者运动分泌汗液的采集,为小型电子器件供能。整合CYSAB供能织物与拉伸型织物应变传感器,可实现志愿者运动状态的穿戴式自供能监测。相关工作以“A Weavable and Scalable Cotton-Yarn-Based
Battery Activated by Human Sweat for Textile Electronics
”为题,发表在《Advanced Science》上(Adv. Sci. 2022, 2103822,10.1002/advs.202103822)。

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图1.
分段结构棉纱基汗液激发电池的设计思路、电池结构及其工作原理。

人体汗液富含阴阳离子,是一种生物相容性极佳的天然电解质水溶液。当其被纱线吸收后,可储存在纤维间隙中并以之为通道进行传输。在这一过程中,汗液中的离子会随之在纱线纤维通道中自由移动。因此,浸润汗液的纱线可作为盐桥连接并隔离电池两极。受传统原电池结构启发,作者设计了一种分段式结构CYSAB,其中炭黑改性的前段纱线、未修饰中段纱线和锌箔包裹后段纱线分别充当电池的阴极、盐桥和阳极。在汗液存在的情况下,纱线可吸收汗液激活CYSAB并实现产电。

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图2 汗液的蒸发与电池放电时间的评估。

CYSAB的激发在很大程度上依赖于电解质溶液的芯吸和离子在水溶液中的迁移。因此,开放环境中溶液的蒸发会影响电池性能。在实际应用中,水的蒸发会受到温度、风速和湿度等多种因素的影响。研究结果显示,当CYSAB中电解质溶液体积低于15 µL时,电池输出性能将迅速下降为零。从微观角度看,当电解质溶液进入纱线后,会在纤维表面形成由斯特恩层和扩散层构成的双电层,其厚度由德拜长度来定义。随着电解质溶液的蒸发,液体层厚度不断减小,当其接近德拜长度时,阳极和阴极之间的电荷转移将受到影响。此时,CYSAB将不再工作,直到补充了新的电解质溶液后,电池方能被再次激活。03.png

图3 CYSAB的柔性供电测试及其大规模制备。

CYSAB可耐受机洗,且可在动态循环弯曲状态下为计算器供能。电解质持续供应的CYSAB可耐受高达20 000次弯曲,其恒流放电性能无明显下降。此外,可将多个CYSAB串联或并联为电池组,从而实现对其输出功率或输出电压的提升。通过分段式设计,可在同一根纱线上制备多个CYSAB,以满足后续编织应用的需求。04.png

图4 CYSAB供能织物及其人体可穿戴自供电演示。

利用传统纺织工艺(如编织、针织、缝纫和缝合)可将一维CYSABs轻松集成到电子织物中。结合纺织结构设计,可将织物上的CYSAB定制为不同的图案,从而满足功能性和美学要求。得益于织物的纱线交织结构,制备的CYSAB供能织物具有优异的柔性和共形性,在扭曲、波浪弯曲和折叠状态下均可为LED灯供电。将LEDCYSAB组件串联可制成头带,当头带吸收志愿者汗水后可激活CYSABLED供能。05.png

图5 汗液激发自供能应变传感织物对志愿者肢体运动状态和呼吸频率的实时监测。

为了进一步证明汗液激发能源织物(SAEF)的应用潜力,作者将SAEF与纱线基应变传感器集成于自供能织物传感系统中,用于实时监测志愿者运动期间的膝盖弯曲行为和呼吸模式。

本研究设计了一种新型一维纱线基汗液激发电池(SAB),它可作为生物相容性好、可靠性佳的电源整合到电子织物中,在自供能人体运动监测和医疗保健领域具有极大应用潜力。西南大学材料与能源学院鲁志松教授乔琰副教授为共同通讯作者,2019级博士生肖刚2019级硕士生巨俊为本文的共同第一作者。这项工作得到了西南大学生物学双一流学科建设经费、重庆市自然科学基金项目和中央高校基本业务费项目的支持。

原文链接:

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

原文阅读:

http://www.polymer.cn/UploadFile/IndustryNewsPic/20220110111108_5390.pdf

文章中所用的电化学分析仪,由雷迪美特中国有限公司提供的型号为PalmSens4电化学分析仪。

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