近日，東華大學覃小紅教授團隊在《科學通報》“新型功能纖維與智能織物專題”發表題為“纖維基濕氣發電機的研究進展”的綜述文章，介紹了濕氣發電機的工作原理，將纖維基濕氣發電機分為一維線狀、二維薄膜狀和三維氣凝膠狀三類，詳細說明了其制備方法和結構特點，以及在自供電電子設備和傳感器方面的應用。

近年來，便攜式可穿戴電子設備正逐漸改變著人們的生活方式，成為現代人類生活中通信、健康監測和可穿戴顯示器等領域不可或缺的應用需求。然而，隨著這一領域的發展，傳統的電池供電方式顯現出一系列局限性：使用時間短、充電頻率高，無法長期為設備提供穩定的能源供應。而且，傳統電池通常具有較大的剛性，降低了設備的舒適性，難以滿足未來可穿戴電子設備的發展需求。為解決這些挑戰，纖維基濕氣發電機應運而生。這種發電機具備柔軟輕質、透氣性好等特點，可以與可穿戴紡織品完美集成；同時由于其可以從無處不在的水分中獲取能量，符合自供電可持續的綠色能源理念，成為滿足未來可穿戴電子產品實用性和舒適性需求的理想選擇。

目前纖維基濕氣發電機可以分成三類：一維線狀、二維薄膜狀以及三維氣凝膠狀。

圖 1 纖維基濕氣發電機的原理、分類和應用

首先，文章詳細介紹了濕氣發電機兩種主要的工作機制，分別為離子梯度擴散和流動電勢。

圖2 濕氣發電機工作原理圖。（a）一維核殼結構紗線基濕氣發電機離子梯度擴散原理示意圖；（b）二維電紡納米纖維基雙電層結構及流動電勢原理示意圖

與傳統儲能設備相比，一維線狀濕氣發電機纖維直徑通常在微米到幾毫米，重量輕，柔韌性好，可以在機械變形下彎曲，能夠編織成可變形的紡織品，具有出色的透氣性及穿著舒適性。

圖 3 包芯紗濕氣發電機（ YMEG ）的（ a ）制備過程圖以及（ b ） SEM 圖像

二維薄膜狀濕氣發電機主要包括電紡纖維膜、納米纖維薄膜、織物以及納米線濕氣發電機，具有出色的比表面積，與濕氣接觸面積更大，輸出功率及電性能更優異，其中電紡膜和織物結構的濕氣發電機還兼具出色的穿著舒適性。

圖4 靜電紡絲纖維膜濕氣發電機結構原理示意圖。（a）PAN/SDBS電紡膜組裝的MEG結構原理示意圖；（b）吸濕蒸發循環織物結構原理示意圖；（c）CA納米纖維組裝的MEG的示意圖以及通過有機蒸氣退火策略調節孔隙的過程

圖5 纖維素納米纖維薄膜（CNF）和石墨碳薄膜（GCF）的（a）制備過程示意圖以及（b）橫截面SEM圖像

圖6 織物濕氣發電機結構示意圖。（a）棉織物/離子凝膠濕氣發電機結構示意圖；（b）MEG的原理圖和SEM圖像。SIG作為發電層與一對可拉伸的Ag紡織電極和可拉伸的Ecoflex作為底部電極的封裝層夾在一起，形成不對稱吸濕結構

三維氣凝膠狀的纖維基濕氣發電機主要包括生物纖維制備的氣凝膠結構的MEG，發電性能主要依賴于流動電勢作用，孔道多，透氣性好，在可穿戴自供電領域發展潛力巨大。

圖7 三維氣凝膠狀濕氣發電機結構示意圖。（a）絲纖維的分層纖維微觀結構以及（b）雙層氣凝膠的光學和SEM圖

本文還詳細介紹了纖維基濕氣發電機在供電和自供電傳感等領域的應用，并在文章最后對纖維基濕氣發電機的發展和局限進行了總結和展望。

圖8 纖維基濕氣發電機的應用。（a）串并聯織物濕氣發電機直接給玩具車充電以及戶外帳篷窗采用串并聯織物面料拼接，直接為手機供電示意圖；（b）人類呼吸信號的變化示意圖；（c）用手指觸摸設備時的電流輸出信號示意圖；（d）MEG電流隨手指不同彎曲角度變化圖；（e）基于PAN/PSSA納米纖維織物的MEG實際應用示意圖，用于實現自供電的氨氣泄漏監測和森林火災監測傳感器

周群, 文顯, 孫朝陽, 郭俊澤, 王黎明*, 覃小紅*. 纖維基濕氣發電機的研究進展. 科學通報, 2025, 70(17):

doi: 10.1360/TB-2024-0573

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 了解科學前沿