研究背景
化石燃料的使用正在影响全球气候和人类健康。根据哈佛大学的研究，煤炭和柴油是空气污染的罪魁祸首，每年造成 700 万人死亡，占全球死亡人数的五分之一。为了减少二氧化碳排放和空气污染，有必要迅速转向低碳能源和可再生能源技术。在未来几十年中,可再生能源将在世界能源系统的去碳化过程中发挥关键作用。根据国际能源机构(IEA)最近的一份报告，水电、风能和太阳能发电量预计将增加，但只能满足全球电力需求预计增长量的一半。因此，对快速生产可再生能源和开发新能源技术的需求与日俱增，广义的纳米发电机(NGs)将成为可再生能源领域的下一个领先技术，它能将机械能和/或热能转化为电能。纳米发电机可分为三种典型方法: 压电式、摩擦静电式和热释电式纳米发电机。大部分研究都转向压电式和摩擦静电式纳米发电机，这两种方法都能更有效地将机械能转化为电能。物联网(loT)的人机界面、人工智能(AI)和机器学习(ML)需要“不使用电池”的自主能源而可穿戴式摩擦纳米发电机(TENGs)具有重量轻、柔性好、成本效益高、设计和结构简单以及生物相容性好等优点，因此成为研究兴趣的焦点。TENGs的科学基础是摩擦静电效应和静电感应的耦合，通过机械摩擦和位移产生电能。根据装置设计类型和材料选择的不同，TENGs 属于绿色能源领域，在人体运动、振动、滑动或滚动、水滴落下或下雨、车辆运动、海河水波、风能等方面具有多种应用能力。可穿戴监测与自主TENG能源的结合要求智能纺织品的进步，以实现自供电传感功能和无线数据通信(物联网)。智能纺织品具有独特的功能，例如能够以舒适的大弧度包裹人体，在穿着过程中具有良好的抗疲劳性、柔软性、透气性、耐洗性和透气性，使其成为可穿戴监控以及制造柔性可穿戴的理想平台。然而，要充分开发这项技术，还需要解决一些挑战，以提高其性能。与传统的 TENG相比，T-TENG 通常输出较低，这是因为所用纺织材料的电荷密度较低，而且织物之间的接触表面积较小。其制造过程也极具挑战性，需要精确对齐和粘合不同的织物层，而且由于纺织材料的磨损，特别是在反复承受机械应力、磨损或洗涤时，还会产生耐用性问题。这会影响设备的性能和使用寿命。由于纺织材料对湿度和温度变化的敏感性，T-TENG 的环境稳定性不如传统 TENG，这会影响装置在不同环境条件下的可靠性和可重复性，并限制其实际应用。
研究成果
这篇综述对目前用于自供电智能传感应用的包芯纱纺织摩擦纳米发电机(CSY-T-TENGs)的最新技术进行了批判性分析。近十年来，无线通信、柔性导电材料和可穿戴电子设备的快速发展要求自主能源，这为可穿戴 T-TENGS 领域创造了新的研究空间。目前的研究正在探索将 CSY 制成的 T-TENG 作为现代可穿戴物联网平台稳定可靠的能量收集器和传感设备。CSY-TENG 因其结构简单、成本低康、将机械能转化为电能的性能卓越以及传感能力强而成为一项重要技术。本文对目前的进展进行了深入评述，分析了 CSYST-TENG 相对于传统 T-TENG的独特优势，介绍了制造技术，讨论了所用材料及其特性和电气性能特征，并重点个绍了在将其与自激电路、电荷存储设备以及环境和健康监测等物联网智能传感应用集成方面的最新进展。最后，报告讨论了 CSYST-TENGS 所面临的挑战和未来发展方向，并为该技术的优化、升级和商业化提供了未来路线图。相关研究以“A Review on the Progress in Core-Spun Yarns (CSYs) Based Textile TENGs for Real-Time Energy Generation, Capture and Sensing”为题发表在Advanced Science期刊上。
图文导读
Figure 1. A schematic overview illustration of this review paper showing various large-scale fabrications, structural CSY design techniques and production processes of CSYs T-TENGs textile layers.
Figure 2. Schematic illustrations of four working modes of TENGs.
Figure 3. The working mechanism of CSYs T-TENGs in (a) vertical Contact Separation (C-S) and (b) Single-Electrode (SE) configurations.
Figure 4. List of presently used textile and core electrode materials for CSYs T-TENGs.
Figure 5. Schematic illustration of electrospinning of nanofibers and its regulatory parameters.
Figure 6. a) Production process of single electrode triboelectric yarn using a double spinning technique, b) cross sectional and surface view of the CSYs, c) schematic illustrations of double spinning yarning system and d) SEM images of core spun nanoyarns and woven fabrics.
Figure 7. Schematic illustration of multivariant tribo material layer fabrications, a) ring spinning method, b) chemical coating method and c) 3D braiding method.
Figure 8. a) Schematic illustrations of 3D printing technology used for CSYs production. b) relationship of storage modulus, loss modulus and viscosity growth of pure PDMS prepolymer and PTFE filled PDMS prepolymer under shear stress c) structure evolution of the PDMS prepolymer filled with PTFE particles under shear stress.
Figure 9. Schematic illustrations of the production process of CSYs using a) combined yarn spinning and chemical coating, b) passing conductive silicone filament through curing channel, c) cross-sectional and surface view of fabricated CSYs and d) schematic illustrations of continuous process of double spinning and weaving using liquid alloys and silicone materials. a) Reproduced with permission.
总结与展望
CSYS T-TENG 因其独特的特性，如电极支持的可靠输出性能、低成本和广泛的适用性，引起了研究界的极大关注。然而，与任何新兴技术一样，CSYS T-TENGs 也面临着众多挑战，必须加以解决，才能充分发挥其在实时可穿戴自供电传感应用中的潜力。
（1） 大规模制备 CSYs
（2） 实时应用的低电输出性能
（3） CSYS T-TENG的低电荷存储容量和不稳定输出性能
（4） CSYS T-TENG的舒适性、耐洗性、防紫外线性、辐射冷却性和抗菌性
（5） CSYS-T-TENG与电源管理电路的集成困难
（6） 基于CSYS- T-TENGs 的智能传感器灵敏度较低
（7） 自充电激励和阻抗匹配电路的设计复杂性
（8） CSYs T-TENG 与物联网 (IoT) 的集成复杂性
本综述论文全面、严谨地概述了 CSYs T-TENGS 的最新研究进展和当前面临的挑战论文讨论了 T-TENGs 的基本原理，重点介绍了 CSYs T-TENGS 的独特优势，分析了 CSYs和CSYs T-TENGs 中使用的各种制造方法和材料，并着重绍了其与电荷激发、能量存储电源管理和物联网智能传感应用集成方面的最新进展。可穿戴 CSYs T-TENG 的潜在最终用途多种多样，从环境监测到医疗保健条件，甚至更多。尽管开展了大量研究工作，但挑战依然存在，如优化 CSYs T-TENG 的性能和稳定性，解决可扩展性、可靠性、输出性能、电源管理、能量存储、传感能力和商业化等相关问题。总之，本综述论文强调了在开发 CSYs T-TENGs 方面取得的巨大进步，以及在最终实用化方面面临的挑战。综述的后半部分讨论了如何克服这些挑战的研究路线图。预计该领域的持续研究和开发将促使可穿戴 CSYs T-TENGs 实时应用到整个织物中，从而满足可穿戴应用对可持续和高能效技术的要求。
文献链接
A Review on the Progress in Core-Spun Yarns (CSYs) Based Textile TENGs for Real-Time Energy Generation, Capture and Sensing
https://doi.org/10.1002/advs.202304232
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