葡萄牙新里斯本大学Rafique等：纤维和纺织品在集成光伏储能器件中的应用研究进展与挑战

研究背景

柔性微电子器件，一种重量轻、尺寸小、柔韧性强的可穿戴电子设备，其小型化、便携化、集成化已成为未来发展趋势，传统的二维、三维电子设备由于其刚度和重量大无法有效满足上述要求。近期，研究人员提出了一种基于一维柔性纤维的全新电子器件(FBEDs)，具有电力存储、能量清除、植入式传感和柔性显示等功能。然而，由于柔韧性、编织能力以及与织物电子器件的集成度等问题，相关器件的开发和制造仍然是一个巨大的挑战。

Recent Advances and Challenges Toward Application of Fibers and Textiles in Integrated Photovoltaic Energy Storage Devices

Amjid Rafique*, Isabel Ferreira, Ghulam Abbas, Ana Catarina Baptista

Nano-Micro Letters (2023)15: 40

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01008-y

本文亮点

1. 从制造、性质和器件性能的角度，介绍了纤维和织物基柔性电极的优势。

2. 综述了纤维和织物基电极在柔性太阳能电池和柔性储能装置中的应用进展。

3. 突出了纺织柔性电极的应用前景和挑战。

内容简介

柔性、便携式、低成本和轻量化可穿戴电子产品的增长趋势引起了学术界对制造下一代FBEDs的广泛关注，这突出了技术进步在潜在应用、设备性能、提高生活质量和促进经济增长等方面的重要性。葡萄牙新里斯本大学Amjid Rafique回顾了电子纺织品基底从刚性到柔性再到可拉伸基材、设备制造从二维到一维的配置演变进程，并详细讨论了基于纺织品的电子设备在制造全过程所遇到的挑战，涉及从单个制造装置到规模化制造，设备封装，材料表征与测试及潜在应用探索等。

图文导读

I 纤维和纺织基基底用于可穿戴电子设备的优势

在FBEDs的设计和制造过程中，选择具有拉伸性和机械柔性的基底是一个关键因素。这些关键因素还包括许多物理化学属性，即热稳定性(在极端天气条件下)，化学稳定性，涂层的优异附着力，表面均匀度，光学清晰度，渗透性和拒水性。此外，可穿戴电子设备需要应用在与人体的接触中，为了长期可持续使用，需要考虑基底的生物相容性和生物可吸收属性。

图1. 主要特征图形表示。

图2. 柔性可穿戴电子器件的杨氏模量。

II 柔性基底在电子器件中的应用

基于纤维和织物的柔性基底将主要从材料和应用两个角度考虑，重点关注能量收集和能量存储两个应用领域。由于具有纤维和织物基底，柔性电子器件可以避免现有电子器件的局限性。因此，在这些柔性基底优点的基础上，再进行进一步的改进，忽略无关的缺点是非常重要的。

图3. 太阳能收集装置示意图。

最根本的挑战是设计和制造利用纤维基电极材料的FBEDs，该材料具有高比能和功率，并使用兼容的电解质和分离器表现出优异的循环稳定性。其他关键参数是低成本制造和安全性，这也非常重要，特别是当它应用于可植入的和纤维形状的设备时。因此，这些柔性电子器件在不同领域的应用日益增加，将提升现代可穿戴/可植入设备对FBEDs的需求。

图4. a) 超级电容器的典型结构；b) 三明治状超级电容器；c) 平面形超级电容器；d) 线形超级电容器；e) 纤维状的超级电容器；f) 电缆状超级电容器。

III 柔性电子设备的规模制造

目前的电子器件被制造成三种不同的形状，并组装成不同的配置，如扭转、同轴和交错配置。在纤维形状的结构中，电极以特定的角度相互扭曲或缠绕，并且可以单独制造。扭曲的电子设备通常用一些保护材料进行封装，以避免损坏设备。这些实验室制备的电子器件进一步规模化制造和商业化仍面临一些挑战，如基于纤维基底的电极的合成、活性材料的加载、电解质离子的渗透、器件组装、器件的包装或封装等。

图5. (a-c) 不同配置的FBEDs，包括扭曲、同轴、交错或编织；d-f) 基于沉积、纺丝和热拉伸技术的规模化制造。

IV 电子纺织品

嵌入多种功能的电子纺织品的应用范围从能量收集、能量存储到传感显示，这些可以被认为是可穿戴电子产品的终极形态。目前，将电子器件集成到纺织品中可分为三大类：(a) 在纺织基底上嵌入简单器件；(b) 在纺织基底上直接制造柔性电子器件；(c) 将纤维状电子器件集成到织物中。

图6. a) 纤维型锂离子电池的图片展示；b) 光伏纺织品的示意图和已开发的带阳极和阴极的彩色毛线混合的光伏纺织品的图片；c) 导电油墨的图案；d) 通过不同的纺织工艺在织物上嵌入导电电路；e) 针织；f) 纺织基材上的刺绣、花卉图案导电聚合物。

V 结论、挑战和展望

基于纤维的电子设备是实现可穿戴电子纺织品的关键因素，一些研究正致力于开发具有能量收集、能量存储、传感功能的FBEDs。目前的研究重点是识别FBEDs的功能要求、活性材料的分类、器件设计、制造技术和器件的结构。到目前为止，市场上主要的纤维和纺织品电子设备是柔性纤维形状的传感器。它们主要用于电子信号监测，但要成为功能齐全、功能多样的可穿戴设备，还需要赋予其更多的功能。纤维和纺织电子产品仍面临许多挑战，技术限制也阻碍了它们的商业化。

(1)性能差：纤维和纺织电子器件的主要局限性之一是与其同类产品(即刚性电子器件和薄膜器件)相比，性能较差。FBEDs性能差的主要原因之一是其薄的形状，这与平面电极相比，电导率较低。

(2)规模化生产技术：为了实现FBEDs的规模化制造，批量生产技术是至关重要的，目前难以满足要求。柔性电子器件的连续制造对于在活性材料和纺织纤维之间获得稳定的界面结合是具有挑战性的。

(3)高生产成本：对于任何制造业的可持续性来说，最重要的问题是产品性能的提高和生产成本的降低。由于材料和生产技术成本高，生产成本高也是电子纺织品商业化和大规模生产的主要限制因素。

作者简介

Amjid Rafique

本文通讯作者

葡萄牙新里斯本大学博士后研究员

▍主要研究领域

纳米材料、储能装置、超级电容器、功能纺织品、涂料、太阳能电池。

▍个人简介

Amjid Rafique博士在意大利都灵理工大学获得博士学位，并曾在该大学担任助理研究员。主要研究方向为功能纳米材料、复合纳米材料以及用于传感和柔性储能器件的纺织基底纳米材料的表面改性，从事各种纳米材料的研究，包括静电纺纤维、金属/金属氧化物、碳基纳米材料、高分子材料和复合材料。在国际高影响因子期刊上发表研究论文5篇，两次获得意大利都灵理工大学研究奖。

▍Email：a.rafique@fct.unl.pt

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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