织物超级电容：新一代可穿戴设备供电的新选择！

导读

近日，美国马萨诸塞大学安姆斯特分校材的科学家团队开发出一种制造电荷存储系统的新方法，该系统能够简便地集成到衣物中。

背景

如今，可穿戴传感器已经成为用于人体健康监测的一项重要创新技术。可穿戴传感器能监测的生理参数包括：心率、体温、运动量、汗液、睡眠、卡路里、血压、血氧、葡萄糖等，甚至还可用于检测重度癫痫、糖尿病等疾病发作，甚至可以用于监测伤口愈合情况。

检测重度癫痫发作的智能手环（图片来源：LivAssured）

检测血氧水平的柔性传感器（图片来源：Yasser Khan，加州大学伯克利分校Arias研究组 ）

检测与治疗糖尿病的智能腕带（图片来源：Hui Won Yun, 首尔大学）

可是，目前开发用于健康监测的可穿戴传感器，所面临的主要障碍之一就是：缺少轻量、持久的电源。

创新

近日，美国马萨诸塞大学安姆斯特分校材料化学家 Trisha L. Andrew 带领的科学家团队，开发出一种制造电荷存储系统的新方法。该电荷存储系统能够简便地集成到衣物中，也就是说，“将电荷存储图案绣到衣服上”。

（图片来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校 / Trisha Andrew）

这项研究的相关细节在线发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

技术

Andrew 解释道：“电池或者其他类型的能量存储系统，在大多数便携式、可穿戴、可消化或者柔性的技术设备中，仍然属于‘制约性’元件。这些设备通常都太大、太重且不具备柔性。”

他们的新方法使用了一个微型超级电容，并且将气相涂覆的导电线与高分子膜相结合，加上一种特殊的缝纫技术，创造出织物背衬上的电极对齐形成的柔性网状物。生成的固态设备，在其尺寸上存储电荷的能力很强，并具备使之能为可穿戴生物传感器供电的其他特征。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

Andrew 补充道，虽然研究人员显著缩小许多不同的电子电路元件的尺寸，但是直到如今，却无法缩小能量存储设备的尺寸。“我们通过这篇论文展示，我们可以采用我们实验室制造的气相涂覆的线，将能量存储图案逐个绣到衣服上。这项研究为在自供电智能织物上简便地缝纫电路打开了大门。”

Andrew 与博士后研究员、论文第一作者 Lushuai Zhang 以及化学工程专业的研究生 Wesley Viola 指出，超级电容是可穿戴的电荷存储电路的理想候选方案，因为它们天生就比电池具有更高的功率密度。

但是，他们补充道：“将具备高导电率与快速离子输运的电化学活性材料集成到织物中，是极具挑战性的。” Andrew 及其同事们为我们展示了，他们的气相涂覆工艺制造出了位于密集扭曲的纱线上的多孔导电聚合物。这种纱线很容易充满电解质离子，相比于之前的染色或突出的纤维，每个单位长度都能保持较高的电荷存储容量。

马萨诸塞大学安姆斯特分校可穿戴电子实验室主任 Andrew 表示，织物科学家们不想采用气相沉积技术，是因为这项技术难度大、成本高。但是，就在最近，研究显示这项技术能大规模应用，并能保持低成本。

目前，她和她的团队正在与马萨诸塞大学安姆斯特分校应用生命科学研究所个性化健康监测中心的伙伴们展开合作，将新型绣花电荷存储阵列与电子织物传感器以及低功率微处理器相结合，打造出能一整天监测个人步态和关节运动的传感器。

回顾

介绍完这项打造织物超级电容的新成果之后，也许大家还想了解更多这方面的创新成果。接下来，笔者索性带大家回顾一下以往介绍过的有关织物超级电容以及智能织物供电方面的创新技术。

1）新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家设计的织物般的电源，它经过剪切、折叠或者拉伸后并不会丧失功能。

（图片来源：新加坡南洋理工大学）

2）英国曼彻斯特大学开发的固态的柔性超级电容设备。通过丝网印刷技术，采用导电的石墨烯氧化物油墨，可以直接将它打印在纺织品例如棉织物上。

（图片来源：曼彻斯特大学）

3）美国德雷塞尔大学的一组研究人员设计出一种类似织物材料的电极，用它可以制作成能量存储设备，例如电池和超级电容，更加快速、更不易泄露或者发生灾难性崩溃。

（图片来源：德雷塞尔大学 ）

4）美国乔治亚理工学院的研究人员开发的纤维织物，可同时从阳光和运动中得到能量，为可穿戴设备、智能手机、智能设备等电子产品供电，而且成本低廉，可进行规模化生产。

（图片来源：乔治亚理工学院）

5）瑞典科学家开发的可将动能转化为电能的压电织物，受到负荷越大，就变得越湿润，产生的电力也越多。

（图片来源：Johan Bodell / 查尔姆斯理工大学）

6）美国得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）与韩国汉阳大学科学家领导的国际科研团队开发的高科技纱线“Twistron”，能在自身被拉伸或者扭转时产生电能。

（图片来源：UTD）

7）美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的科研人员开发的透气、柔韧、不含金属的电极，集成这种电极的智能衣服将实现自供电。

（图片来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校）

关键字

传感器、可穿戴技术、超级电容、智能织物

参考资料

【1】http://www.umass.edu/newsoffice/article/umass-amherst-materials-scientist-creates

【2】http://dx.doi.org/10.1021/acsami.8b08408

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