新加坡南洋理工大学新的“智能织物”将运动转化为电能

新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的科学家们开发了一种可拉伸且防水的“织物”，可将身体运动产生的能量转化为电能。

织物中的一个关键成分是一种聚合物，当受压或挤压时，它会将机械应力转化为电能。它还以可拉伸氨纶作为基层制成，并与类似橡胶的材料相结合，以保持其坚固、柔韧和防水。

在科学杂志《先进材料》 （“用于混合摩擦电和压电能量收集的可拉伸、透气和稳定的无铅钙钛矿/聚合物纳米纤维复合材料”）上报告的概念验证实验中，南大新加坡团队表明，利用3cm x 4cm 的新织物产生的电能足以点亮 100 个 LED。

织物中的一个关键成分是一种聚合物，当受压或挤压时，它会将机械应力转化为电能。它还以可拉伸氨纶作为基层制成，并与类似橡胶的材料相结合，以保持其坚固、柔韧和防水。左侧是集成到右侧原型织物中的丝网印刷电极。

洗涤、折叠和弄皱织物不会导致任何性能下降，并且可以保持长达五个月的稳定电力输出，展示了其作为智能纺织品和可穿戴电源的潜力。

领导这项研究的材料科学家和南大副教务长（研究生教育）Lee Pooi See 教授说：“已经有很多尝试开发可以从运动中获取能量的面料或服装，但一个巨大的挑战是开发一些能够洗涤后不会降低功能，同时保持出色的电力输出。在我们的研究中，我们证明了我们的原型在洗涤和揉皱后仍能正常工作。我们认为它可以被编织成 T 恤或整合到鞋底中，以从身体最小的动作中收集能量，将电力输送到移动设备。”

能量收集替代能源

TU团队开发的发电织物是一种能量收集装置，可将日常生活中最小的身体运动产生的振动转化为电能。

原型织物以两种方式发电：当它被挤压或挤压时（压电效应），以及当它与皮肤或橡胶手套等其他材料接触或摩擦时（摩擦电效应）。

为了制造原型，科学家们首先通过丝网印刷一种由银和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 组成的“墨水”制成了一种可拉伸电极，SEBS 是一种在牙胶和车把把手中发现的类似橡胶的材料，以使其更具可拉伸性并且防水。

然后将此可拉伸电极连接到一块由两种主要成分组成的纳米纤维织物上：聚（偏二氟乙烯）-共聚六氟丙烯 (PVDF-HPF)，一种在压缩、弯曲或拉伸时产生电荷的聚合物; 和无铅钙钛矿，这是太阳能电池和 LED 领域很有前途的材料。

研究团队成员的南大博士生姜峰解释说：“在 PVDF-HPF 中嵌入钙钛矿可增加原型的电输出。在我们的研究中，我们选择了无铅钙钛矿作为更环保的选择。虽然钙钛矿本质上很脆，但将它们整合到 PVDF-HPF 中可以使钙钛矿具有出色的机械耐久性和柔韧性。PVDF-HPF 还为钙钛矿提供了额外的保护层，增加了其机械性能和稳定性。”

结果是一种原型织物，每平方米产生 2.34 瓦的电力——足以为 LED 和商用电容器等小型电子设备供电。

概念证明

为了演示他们的原型织物如何工作，南洋理工大学的科学家们展示了如何用手连续敲击 3 厘米 x 4 厘米的织物片可以点亮 100 个 LED，或为各种电容器充电，这些电容器是储存电能的设备，可以在设备中找到像手机一样。

该织物表现出良好的耐用性和稳定性——其电气性能在洗涤、折叠和起皱后不会恶化。它还继续产生长达五个月的持续稳定的电力输出。

科学家们表明，他们的织物可以通过将其连接到手臂、腿、手和肘部以及鞋垫上来利用一系列人类运动的能量，并且这样做不会影响运动。

李教授说：“尽管提高了电池容量并降低了电力需求，但可穿戴设备的电源仍需要经常更换电池。我们的结果表明，我们的能量收集原型织物可以利用人类的振动能量来潜在地延长电池的使用寿命，甚至构建自供电系统。据我们所知，这是第一个基于混合钙钛矿的能源设备，它稳定、可拉伸、透气、防水，同时能够提供出色的电力输出性能。”

这种基于织物的能量收集原型建立在 NTU 团队的工作之上，该团队着眼于如何收集环境中产生的能量。例如，该团队最近开发了一种可以安装在屋顶或墙壁上的薄膜，以利用风或雨滴落在薄膜上产生的能量。

该团队现在正在研究如何调整相同的织物以获取不同形式的能量。