从聚合物压电纤维编织的材料获取能量并用于电容器中

‘Power dressing’在最近的研究中将能量收集电子技术融入到织物中，具有全新的意义。例如，太阳能技术的进步将很快产生可用于为电池和电力设备充电的服装和室内装潢。用聚合物压电纤维编织的材料可以舒适地穿着，从简单的运动中获取能量。基于GaN纳米线的压电纳米发电机将以相同的方式产生功率。

存储产生的能量并将其转换为可用形式是一个重要的考虑因素。石墨烯和碳纳米管的网络正在开发中以生产类似纤维的能量存储装置，其可以结合到织物中以像超级电容器一样操作。在其他地方，研究正在产生一种基于连续碳纳米管纤维的紧凑，可拉伸的线形超级电容器。另一种方法是创造一种灵活的薄膜，提供锂电池（不含锂）和高功率超级电容器的最佳品质。本文将总结这项研究，以展示我们的服装如何利用能量收集技术直接供电电子设备，为电池充电，甚至在其纤维中加入电池。为了进行比较，本文将考虑超级电容器当前最先进的物理尺寸/体积，性能可穿戴应用的寿命和寿命，以Elna America和Seiko Instruments系列的例子为例。这些超级电容器的充电和管理将参考包括BQ25504升压转换器和电池管理IC在内的设备及其相关开发套件，均来自德州仪器。

Light and movement

光伏材料，轻便灵活根据Dephotex项目的开发人员的说法，预计将在不久的将来提供足够的服装。 这项欧盟框架研究已开发出具有导电性能的纤维，可编织成形成柔性光伏电池的基板。近年来，各种会议都展示了示威者，展示了如何为小型设备供电，小型电池可以充电，而太阳能帐篷，遮阳帘，窗帘和室内装潢等大型装置可用于为灯光供电甚至同时，英国的研究人员开发出一种针织柔性面料，利用压电技术从人体运动或周围环境中产生能量。博尔顿大学材料研究与创新研究所设计了一种基于压电PVDF纤维的3D纺织结构，该结构具有柔韧性，透气性和坚韧性，重要的是，可通过合作伙伴公司进行商业开发。

图1：博尔顿大学采用PVDF间隔纱的3D压电织物结构。

两个独立的导电银涂层聚酰胺织物面（电极）通过PVDF间隔纱连接在一起。织物的压缩导致间隔纱产生由两个金属面收集的电荷。目前，可以产生1至5μW/cm²的能量，足以为小型传感器供电。

应用设计用于服装和鞋垫，例如，为小型便携式设备供电，也用于地毯和其他地板表面或者为机场或购物中心的照明和多个数据传输端口供电的座椅材料。

Supercaps

能源存储仍然是寻求替代传统电池的研究人员的热门话题。美国凯斯西储大学 3 ，新加坡南洋理工大学和清华大学的科学家开发出一种超级电容器式能量储存装置，其形式为可编织成衣服的纤维。中国大学。据称这种紧密堆积的石墨烯和碳纳米管互连网络的体积能量密度为6.3μWh/mm³，相当于4 V，500μAh的薄膜锂电池。然而，与电池不同，它更快地充电和释放能量，更像是超级电容器。

它可以编织成衣服，为家中的人们提供医疗设备的电源，或者为现场士兵提供通信设备。该纤维可能用作医疗植入物中的电源或“能量承载线”。纤维坚韧，承受恒定的机械应力，并已经过10，000次充放电循环测试。具有相同的目标 - 高能电池和高功率超级电容器的最佳特性 - 赖斯的研究人员大学 4 开发了一种薄膜柔性电池。基于分布在固体电解质周围的纳米多孔氟化镍电极，该薄膜电化学电容器的25mm²贴片已经过10，000次充电/放电循环和1000次弯曲循环测试。研究人员正在寻找具有石墨烯，碳纳米管和导电聚合物灵活性的材料，但具有更高的电存储容量，通常存在于无机和金属化合物中。

图2：结构莱斯大学开发的薄膜超级电容器，基于纳米多孔层来自特拉华大学的研究人员，基于连续碳纳米管纤维的可拉伸的线形超级电容器可能在可穿戴能源设备中得到应用。该团队使用氨纶纤维作为基材制造该装置，其中预应变和弯曲碳纳米管作为活性电极，聚乙烯醇硫酸凝胶作为固体电解质。测试超过10，000次充电/放电循环已证明具有优异的导电性和电化学稳定性。

同时，继续研究改进超级电容器的尺寸，灵活性和储能能力，已在莱布尼兹产生了许多微超级电容器开发德累斯顿固体和材料研究所（IFW-Dresden）。 在一个项目中，二氧化锰被用作替代电极材料。通过使用电子束蒸发二氧化锰并使气态原子沉淀来制备弯曲膜。研究人员声称，半厘米的正方形可以储存更多的能量，并且比最先进的超级电容器每单位体积提供更多的功率。

最先进的技术虽然重要的是监测如何技术正在发展，今天最先进的超级电容器已经在可穿戴应用中使用。当然，他们最大的缺点是缺乏灵活性。因此，小尺寸是必不可少的。 Elna America的DSK-3R3H204T614-H2L是最小，最持久，最高电容的器件之一。这种纽扣电池格式超级电容器的直径为6.8毫米，高度为1.8毫米。额定电压为3.3 V，电容为200 mF，ESR（等效串联电阻）为200 ohm。寿命在60oC时被引用为1000小时。

它延长了使用寿命，并且能够快速存储和释放相对大量的能量，使超级电容器对能量收集应用有效。它们可以与电池一起使用，但通常可以替换它们，具体取决于所需的功能。一个关键优势是它们不需要在恒定电压下充电，但通过吸取电源可以提供的最大电流来有效充电。

XH311HG-尺寸略大于一半，直径3.8 mm Seiko Instruments的IV07E额定电压为3.3 V，电容为20 mF，可靠至少10，000次充电/放电循环。它被广泛用作小型便携式设备的备用电源。

更小，芯片形式，精工还提供CPH3225A，尺寸仅为3.2 x 2.5 x 0.9 mm。该器件适用于高达3.3 V的应用，容量为4.6μAh，电容为11 mF。

在可穿戴应用中，超级电容器体积小，结构紧凑，可与其他电路集成或远程连接并缝制成衣服，例如，在衣领或翻领下，或在口袋中，或佩戴在手腕或胸带上能源管理

无论是硬币还是芯片形式，超级电容器都需要与他们支持的能量收集电路集成。例如，无论是与锂电池一起使用还是作为锂电池的替代品，它们都需要某种形式的电源管理以实现高效运行。

专为超低功耗和能量收集应用而设计的是bq25504升压/充电器IC来自德州仪器。它可以从各种直流电源（包括太阳能和压电/振动设备）获取和管理从微瓦到毫瓦的功率。它可以从低至330 mV的输入电压开始，并且一旦操作可以在80 mV下收获能量。当超级电容器集成到系统中时，bq25504监控过压和欠压情况，并在存储的能量降至预设水平以下时向控制器发出信号。

评估模块bq25504EVM-674可用于检查升压/充电器IC的功能。配备提供3.1 VDC最大电压为超级电容器充电，欠压编程为2.2 VDC。

结论

在短短几年内，服装和室内装潢面料将不仅包含其纤维内的能量收集技术，使用光伏和压电技术，以及结合超级电容器和电池的最佳功能的储能元件。灵活性和耐用性是受欢迎的特性，但它们需要满足传统能量收集和存储设备的性能水平。可能不久之后控制电子设备成为可穿戴应用的限制因素，而不是现在的情况下的能量存储组件。