论文题目：A wearable self-charging power system integrating micro-supercapacitors and triboelectric nanogenerators with MXene-coated fabric as conductive layer

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100341

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本文将摩擦纳米发电机（TENG）与微型超级电容器（MSC）集成，构建了一种新型的自充电电源系统。其中，MXene粘膏由棉织物为支撑作为TENG的导电层，掩膜真空抽滤石墨烯溶液作为MSC的叉指电极。用手掌按压TENG 147 s，可将两个串联的MSC阵列充电至1.6 V，并能够为电子手表持续供电25秒，其充电效率达到0.653 V/min。

一、文章摘要

可穿戴电子设备需要高效的自充电电源系统来提供能量。然而，目前的系统存在充电效率低、制备过程复杂以及可穿戴性差等问题，限制了其广泛应用。本文报道了一种新型高效的可穿戴自充电电源系统，该系统由摩擦电纳米发电机（TENG）和微型超级电容器（MSC）组成。其中，采用涂覆有MXene粘膏的棉织物作为TENG的导电层，掩膜真空抽滤石墨烯溶液作为MSC的叉指电极。硅胶将TENG的导电层和MSC电极封装。硅橡胶既充当TENG的摩擦电层，也是整个系统的保护层。织物和硅橡胶为系统提供了必要的强度和柔韧性。MXene粘膏棉织物兼具高导电性与高电荷捕获能力，使TENG表现出卓越的能量收集性能。连续按压/释放TENG147 s，可为2个串联MSC充电至1.6 V，可为电子手表供电25 s。与同类系统相比，该自充电系统采用低成本原材料，通过简易工艺制备而成，展现出更优异的性能。本研究为可穿戴电子设备的自充电电源系统提供了一种简便、经济且高效的解决方案。

二、研究背景

柔性电子器件在运动监测、人机交互、电子皮肤以及储能器件等领域具有重要的应用价值。然而，其广泛应用受到电源供应能力不足的严重限制。传统电源（如锂离子电池）由于柔性差、重量大、尺寸固定、结构刚性且复杂，且无法实现自供电，难以与柔性电子器件集成。因此，开发设计具有自发电能力的柔性储能集成系统尤为重要。

摩擦纳米发电机（TENG）是一种新型能量转换装置，能够高效地将环境中的机械能转化为电能。可穿戴柔性TENG可以收集人体运动所产生的能量，非常适合与柔性电子器件集成，为其提供持续的能量支持。然而，TENG产生的短脉冲可变交流信号和低电流输出不适合直接驱动需要稳定电源的柔性电子设备。这些器件通常需要稳定的电源。因此，TENG必须与高效的储能器件结合，才能为柔性电子设备提供稳定的电源。

微型超级电容器（MSC）因其体积小、功率密度高、充放电速度快、循环稳定性优异以及良好的机械柔性，被视为理想的储能器件。因此，将TENG与MSC集成，可构建自充电电源系统，实现TENG的能量采集优势与MSC的储能优势的有效结合。

现有文献中，自充电电源系统中TENG的导电层和MSC的叉指电极通常依赖于复杂的制备工艺，如3D打印、激光切割、电沉积和磁控溅射等。尽管这些技术具备优异的加工精度和可控性，但其工艺复杂、制备条件苛刻且设备成本高，因而在实际应用中受到限制，难以实现大规模生产。

在本研究中，将Ti₃C₂ MXene粘膏直接涂覆在棉织物表面来构建TENG的导电层，并利用简便的掩膜真空抽滤石墨烯溶液构建MSC的叉指电极，从而设计了一种高效、稳定、低成本的自充电电源系统。手掌连续按压TENG 147 s，可将两个串联的MSC充至1.6 V，可为电子手表供电25 s。得益于MXene的高导电性和优异的电荷捕获能力，以及石墨烯超高的电化学稳定性，该系统的有着0.653 V/min充电效率。此设计为可穿戴电子器件提供了一种简便、低成本、高效的能源解决方案。

三、创新点

（1）通过旋涂和掩膜抽滤技术，利用低成本材料制造了一种新型可穿戴的自充电电源系统。

（2）该系统由硅胶封装，确保了可穿戴应用所需的灵活性和耐用性。

（3）该系统的充电效率高达 0.653 V/min，可快速为MSC充电。

四、文章概述

图1自充电电源系统的制备工艺示意图。（a）将棉织物浸入MXene悬浮液随后旋涂MXene粘膏制备TENG的导电层；（b）掩模真空抽滤石墨烯溶液制备MSC的叉指电极；（c）两片硅橡胶封装TENG的导电层和MSC制备自充电电源系统

该系统的结构与制备过程如图1所示。首先，将棉织物浸入MXene胶体溶液并在表面旋涂MXene浆料，所得织物作为TENG导电层，兼具强度、柔性及优异导电与电荷捕获能力（图1（a））。随后，利用硅橡胶作为摩擦电层并对系统进行封装，使TENG能够在单电极模式下工作，从而无需隔层，并便于与MSC集成。MSC电极则通过掩膜辅助真空抽滤石墨烯溶液制备，并加入电解液形成柔性MSC（图1（b））。最终，TENG导电层与MSC共同由硅橡胶封装，构建完整的自充电电源系统（图1（c））。

图2（a）原始织物，浸渍了MXene悬浮液的织物，旋涂有MXene粘膏织物的光学图像；（b）MXene粘膏粉末，原始织物，浸渍了MXene悬浮液的织物和旋涂有MXene粘膏织物的XRD图谱；（c）MXene粘膏粉末的扫描电镜图像；（d）浸渍了MXene悬浮液的织物和（e）旋涂有MXene粘膏织物的SEM图像；（f）浸渍了MXene悬浮液的织物和（g）旋涂有MXene粘膏织物的高倍SEM图像；（h）旋涂有MXene粘膏织物的SEM图像以及相应的EDS元素图谱（Ti和F）。

如图2（a）所示，棉织物在浸渍MXene悬浮液或旋涂MXene粘膏后由白色变为黑色，表面被均匀覆盖。XRD分析显示，棉织物浸渍MXene悬浮液后出现明显的（002）特征峰。旋涂MXene粘膏后，仅保留MXene特征峰，表明MXene粘膏已覆盖在织物表面（图2（b））。SEM图像进一步表明，浸渍处理后织物表面覆盖少量MXene纳米片，而旋涂MXene粘膏后，织物表面被大量MXene纳米片覆盖，原有织物纹理几乎消失（图2（d-g））。高倍SEM及EDS元素分布结果显示，MXene在织物表面及内部均匀分布，Ti和F元素均匀存在（图2（h））。这些结果表明，MXene粘膏能够有效且均匀地覆盖棉织物，为构建高性能柔性器件提供了可靠的材料基础。

图3（a）不同织物导电层和橡胶表面进一步旋涂AgNWs的TENG的开路电压和（b）短路电流；（c）TENG在不同外部负载下的开路电压、短路电流和（d）功率密度；（e）TENG在不同电容容量下的充电能力；（f）用手按压TENG，点亮由78个串联LED灯组成的“HPU TENG”字样

将浸渍MXene悬浮液并旋涂MXene粘膏后的棉织物用作TENG导电层，其电输出性能显著提升，开路电压从32 V提高至266 V，短路电流从0.03 μA提升至0.48 μA。进一步在硅胶表面旋涂AgNWs后，输出电压和电流分别增加至315 V和0.59 μA（图3（a-b））。TENG在手掌连续按压下可产生稳定电信号，并在负载电阻为200 MΩ时达到最大58.64 mW/m2的功率密度（图3（c-d））。通过桥式整流器整流后，TENG能够为不同容量的商用电容器充电，同时能够点亮78颗绿色LED灯，充分显示出其将机械能高效转化为可用电能的能力（图3（e-f））。

图4 基于石墨烯电极MSC的电化学性能表征；（a）MSC在不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；（b）MSC在不同电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线；（c）MSC在不同扫描速率下的面积比电容；（d）柔性MSC在0°-180°弯曲范围内的光学图像；（e）不同弯曲角度下MSC在100 mV s-1的扫描速率下的CV曲线；（f）不同弯曲角度下MSC在0.01 mA cm^-2电流密度下的GCD曲线；（g）在100 mV s-1的扫描速率下，MSC经过2000次弯曲循环后的CV曲线对比； MSC串联连接后的（h）CV曲线和（i）GCD曲线

通过掩膜真空抽滤法制备的微型超级电容器（MSC）在2-200 mV s^-1扫描速率下CV曲线均呈现出几乎完美的矩形形状，GCD曲线对称，最大面积比电容为0.48 mF cm^-2图4 (a-c）。MSC在不同弯曲角度及2000次弯曲循环后性能稳定，电容保持率达99.33%，显示出优异柔韧性（图4 (d-g））。两个MSC串联后工作电压可扩展至2 V，同时保持充放电性能，验证了串联配置在提升电压输出方面的可行性（图4 (h-i））。

图5可穿戴自充电电源系统在便携式电子设备中的应用。（a）由TENG、整流桥和MSC组成的自充电电源系统的工作电路图；（b）自充电电源系统的结构示意图；（c）用TENG为MSC充电并为电子手表供电的充放电特性曲线（插图显示电子手表的开启状态）；（d）自充电电源系统的可穿戴性演示

基于MXene织物薄膜的TENG与基于石墨烯电极的MSC可集成构建柔性自充电电源系统，该系统由TENG能量收集单元、整流桥以及MSC储能单元组成（图5（a-b））。系统能够有效捕捉日常机械能，将其转化为电能并储存在MSC中，为便携式电子设备提供持续电力。通过手掌持续按压TENG，两个串联的MSC可在147秒内充电至1.6 V，足以为电子表供电25秒（图5（c））。固定在手臂上测试显示，系统同样可稳定为MSC充电并为电子设备供电，验证了其可穿戴性和实用性（图5（d））。

五、启示

本研究采用MXene粘膏旋涂织物作为TENG的导电层，并通过掩膜真空抽滤石墨烯溶液制备MSC的叉指电极，将二者集成构建了一种高效的可穿戴自充电电源系统。与近期报道的自充电电源系统相比，本系统具有以下显著优势：1）制备工艺简单、成本低。织物旋涂MXene浆料与掩膜抽滤石墨烯电极的制备方法，显著简化了工艺流程并降低了制备成本。2）超高的循环稳定性。MXene薄膜以棉织物为支撑，避免了水凝胶失水问题。基于石墨烯电极的MSC表现出优异的循环稳定性，延长了系统的使用寿命。3）超高柔韧性。TENG和MSC采用高柔性材料及柔性结构设计，使系统能够适应多种复杂的应用场景。4）卓越的充电效率。该系统仅集成了两个MSC，充电效率高达0.653 V/min，在同类研究中处于领先水平。

引用信息：Jiacheng Fan, Chenfang Lou, Pinghao Cui, Qixun Xia, Libo Wang, Yukai Chang, Aiguo Zhou, A wearable self-charging power system integrating micro-supercapacitors and triboelectric nanogenerators with MXene-coated fabric as conductive layer, Adv. Powder Mater.4 (2025) 100341. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100341

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000776