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可大规模制备的芯鞘结构微量汗液激发纱线电池

【研究背景】

柔软、透气、贴合皮肤的电子织物（e-textile）可提供传感、驱动、显示和计算等功能，在物联网、运动健康监测和可穿戴通信领域展现出了巨大潜力。作为电子织物中最重要的组件之一，电源单元为数据收集、传输、处理和显示提供电力支持，因此在该领域的研究中备受瞩目。汗液激发电池（SAB）作为一种多功能、生物相容、输出稳定的能源供给器件，一经提出即被认为是织物电子系统中供能单元的理想解决方案之一。然而，要实现SAB在织物电子中的大规模应用，首先必须解决其柔韧、安全、规模化制备以及与纺织工艺兼容等问题。

在课题组前期研究工作（G. Xiao, Y. Qiao*, Z. S. Lu* et. al, Adv. Sci. 2022, 2103822）中，我们开发了一种柔性、可编织和大规模制备的嵌段式纱线基汗液激发电池，其结构包括炭黑修饰区段、盐桥区段和锌箔包裹区段。尽管该器件在电子纺织品应用方面取得了成功，但其应用仍受到其低功率输出的限制。此外，汗液在皮肤表面的不均匀分布和排汗开始时的低分泌量可能导致该电池的缓慢、低效激活。

【文章简介】

近日，西南老员工物功能表界面团队鲁志松教授、乔琰副教授课题组在《Nano Energy》期刊发表了题为“Scalable, high-performance, yarn-shaped batteries activated by an ultralow volume of sweat for self-powered sensing textiles”的文章。该工作受传统纱线制备方法启发，开发了一种可大规模制备的芯鞘结构汗液激发纱线电池（SAYB）。该电池以锌线为阳极、棉纱为隔膜、碳线为阴极采用传统加捻工艺构建，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。1 μL微量汗液可在3 s内从不同部位快速激发SAYB，实现为小型电子元件稳定供能。在适宜条件下，SAYB的最大功率密度为1.72 mW cm⁻²，能量容量为15.3 mAh，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。借鉴传统纱线制备方法，实现了长达60米的SAYB的连续化制备。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。进一步通过剪裁和缝纫，可制成汗液激发供能T恤。经与纱线状拉伸传感器、小型电化学工作站整合，构建了基于SAYB的自供能智能服装，实现了对运动过程中手臂摆动、呼吸频率等信号的无线传输监测。本工作中研发的SAYB有望作为一种可靠的一维柔性、高性能可编织电源，助力可穿戴医疗保健和运动监测自供电智能服装的开发。

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 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。

本院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，鲁志松教授、乔琰副教授为通讯作者。这项工作得到了西南老员工物功能表界面团队、“bat365在线平台创新研究2035先导计划（SWU-XDPY22014）”、国家自然科学基金（No. 22272130）以及海南省院士工作站的支持。

【文章链接】

J. Ju, G. Xiao, , Y. H. Jian, L. Wu, W. Sun, W. Wang, C. M. Li, Y. Qiao* and Z. S. Lu*. Scalable, high-performance, yarn-shaped batteries activated by an ultralow volume of sweat for self-powered sensing textiles. Nano Energy, 2023, 109, 108304.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523001416