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  市場上的可穿戴電子產品主要以商用紐扣電池和微型鋰離子電池為電源，其尺寸、厚度、重量、剛性以及堿性電解質的使用極大阻礙了它們在皮膚界面可穿戴電子器件中的應用。近年來，以二維紙張、紡織品為汗液吸收層和電極隔離層的汗液激發電池（SAB）引起了人們的關注。然而，與傳統紡織工藝兼容、且可為織物電子器件供能的一維SAB尚未見報導。

  近期，西南大學魯志松教授團隊開發了一種柔性、可編織和大規模制備的紗線基汗液激發電池（CYSAB），其結構包括炭黑修飾區段、鹽橋區段和鋅箔包裹區段。棉質紗線作為良好的親水性基材，在人體出汗時可吸收汗液激發CYSAB產生電能。串并聯多個CYSAB可形成電池組，實現為小型電子元件供能。通過一體化設計，可在單根紗線上制備多個CYSAB，并可利用紡織工藝將其編織入面料中，從而實現CYSAB與傳統紡織工業的融合。使用CYSAB編織的供能織物可設計為頭帶和胸帶，用于志愿者運動分泌汗液的采集，為小型電子器件供能。整合CYSAB供能織物與拉伸型織物應變傳感器，可實現志愿者運動狀態的穿戴式自供能監測。相關工作以“A Weavable and Scalable Cotton-Yarn-Based Battery Activated by Human Sweat for Textile Electronics”為題，發表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2022, 2103822，10.1002/advs.202103822）。

圖1. 分段結構棉紗基汗液激發電池的設計思路、電池結構及其工作原理。

  人體汗液富含陰陽離子，是一種生物相容性極佳的天然電解質水溶液。當其被紗線吸收后，可儲存在纖維間隙中并以之為通道進行傳輸。在這一過程中，汗液中的離子會隨之在紗線纖維通道中自由移動。因此，浸潤汗液的紗線可作為鹽橋連接并隔離電池兩極。受傳統原電池結構啟發，作者設計了一種分段式結構CYSAB，其中炭黑改性的前段紗線、未修飾中段紗線和鋅箔包裹后段紗線分別充當電池的陰極、鹽橋和陽極。在汗液存在的情況下，紗線可吸收汗液激活CYSAB并實現產電。

圖2 汗液的蒸發與電池放電時間的評估。

  CYSAB的激發在很大程度上依賴于電解質溶液的芯吸和離子在水溶液中的遷移。因此，開放環境中溶液的蒸發會影響電池性能。在實際應用中，水的蒸發會受到溫度、風速和濕度等多種因素的影響。研究結果顯示，當CYSAB中電解質溶液體積低于15 μL時，電池輸出性能將迅速下降為零。從微觀角度看，當電解質溶液進入紗線后，會在纖維表面形成由斯特恩層和擴散層構成的雙電層，其厚度由德拜長度來定義。隨著電解質溶液的蒸發，液體層厚度不斷減小，當其接近德拜長度時，陽極和陰極之間的電荷轉移將受到影響。此時，CYSAB將不再工作，直到補充了新的電解質溶液后，電池方能被再次激活。

圖3 CYSAB的柔性供電測試及其大規模制備。

  CYSAB可耐受機洗，且可在動態循環彎曲狀態下為計算器供能。電解質持續供應的CYSAB可耐受高達20?000次彎曲，其恒流放電性能無明顯下降。此外，可將多個CYSAB串聯或并聯為電池組，從而實現對其輸出功率或輸出電壓的提升。通過分段式設計，可在同一根紗線上制備多個CYSAB，以滿足后續編織應用的需求。

圖4 CYSAB供能織物及其人體可穿戴自供電演示。

  利用傳統紡織工藝（如編織、針織、縫紉和縫合）可將一維CYSABs輕松集成到電子織物中。結合紡織結構設計，可將織物上的CYSAB定制為不同的圖案，從而滿足功能性和美學要求。得益于織物的紗線交織結構，制備的CYSAB供能織物具有優異的柔性和共形性，在扭曲、波浪彎曲和折疊狀態下均可為LED燈供電。將LED與CYSAB組件串聯可制成頭帶，當頭帶吸收志愿者汗水后可激活CYSAB為LED供能。

圖5 汗液激發自供能應變傳感織物對志愿者肢體運動狀態和呼吸頻率的實時監測。

  為了進一步證明汗液激發能源織物（SAEF）的應用潛力，作者將SAEF與紗線基應變傳感器集成于自供能織物傳感系統中，用于實時監測志愿者運動期間的膝蓋彎曲行為和呼吸模式。

  本研究設計了一種新型一維紗線基汗液激發電池（SAB），它可作為生物相容性好、可靠性佳的電源整合到電子織物中，在自供能人體運動監測和醫療保健領域具有極大應用潛力。西南大學材料與能源學院魯志松教授與喬琰副教授為共同通訊作者，2019級博士生肖剛和2019級碩士生巨俊為本文的共同第一作者。這項工作得到了西南大學生物學雙一流學科建設經費、重慶市自然科學基金項目和中央高校基本業務費項目的支持。

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

  下載：A Weavable and Scalable Cotton-Yarn-Based Battery Activated by Human Sweat for Textile Electronics