全球向低碳和智能能源系统的转移驱动了对材料层面上节能、环保的技术需求的不断增加。随着能源技术从集中式基础设施转向无处不在的人本设备，材料可持续性已成为与能源性能并重的关键设计约束。然而，传统的基于电池的电源存在固有的局限性，包括有限的使用寿命以及与材料提取和处置相关的环境问题。在这种情况下，从人类活动中收集环境机械能已成为实现自供电系统的有希望的策略。重要的是，将高效的能量转换与可持续的材料设计相结合，使得能源与材料的可持续性收敛成为新系统的基本要求。
近日，北京交通大学李修函教授团队在期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果：A Compact Phase-Aligned Hybrid Energy Harvester for Efficient Low-Frequency Energy Harvesting。研究者开发了一种采用掺有脯氨酸的静电纺丝聚酰亚胺(PI)薄膜作为摩擦正极层的摩擦纳米发电机(TENG)，与商业聚酰亚胺薄膜在相同操作条件下相比，其输出增强约6倍。为了避免依赖单一的能量转换机制，摩擦电单元与基于摆锤的电磁发电机(EMG)和压电组件相结合，形成了一个圆柱形的便携混合能源采集器(PHEH)。此外，六层的圆形堆叠PP-TENG(CPP-TENG)架构被重新组织为三个相位对齐单元(PAU-1, 2, 3)，有效减轻了相位耦合效应，并导致输出功率提高1.36倍。
图1. 自供电可穿戴系统PHEH的结构设计和工作原理
图2. 聚酰亚胺-脯氨酸静电纺丝薄膜的微观结构和成分分析。
长链聚酰亚胺作为聚合物基体和结构支架，脯氨酸则作为功能填料引入，以调节界面电荷转移行为。PI/脯氨酸复合纳米纤维膜的制备过程通过静电纺丝示意图如图2。SEM表面形貌表征如图2d所示，不同掺杂浓度下的PP薄膜表现出明显的多孔结构，纤维之间交错分布且没有出现串珠或纤维断裂等情况。通过FTIR、XRD以及XPS等表针技术分析可以知道在复合纳米纤维中成功引入脯氨酸，氮含量的增加表明薄膜表面电子供体功能团的密度更高，这有望促进界面电荷转移，并有助于PP-TENG中观察到的增强的摩擦电性能。同时聚酰亚胺的各项指标未出现明显变化证明了二者的充分结合。在此研究基础上，将其与负摩擦材料FEP共同构建成PP-TENG。
图3. PP-TENG的电气性能和环境稳健性
在10 MΩ的外部负载电阻下，PP-TENG的最大输出功率为4.20 mW，几乎是使用商业聚酰亚胺薄膜构建的CP-TENG在相同测试条件下的30倍。这一显著提升突显了静电纺丝的PI/脯氨酸薄膜在提高能量转换效率方面的有效性，特别是在低频和可变力的机械能采集场景中。此外，为了基准评估所提出的PP-TENG的能量采集性能，其功率密度与最近报道的基于可持续和生物衍生材料的摩擦电纳米发电机进行了系统比较，如图3f所总结。值得注意的是，PP-TENG的功率密度相比文献中报道的代表性可持续材料基TENGs提高了数百倍。这一显著改善强调了将氨基酸修饰的聚合物矩阵与优化的设备架构相结合的有效性，从而实现了显著的性能提升，同时保持了材料的可持续性。
图4. PHEH的电气性能和环境稳健性
图5. PHEH在获取人体机械能及为无线电子设备供电中的应用展示
通过静电纺丝技术制备了PI/脯氨酸纳米纺丝纤维并以此制备高性能摩擦纳米发电机，与商业聚酰亚胺相比，其摩擦电输出提升了5-6倍。在此基础上开发了一种紧凑型便携混合能源收集器（PHEH），以高效捕获来自人类运动的低频机械能，同时整合能源和材料的可持续性。PHEH在一个紧凑的圆柱形架构中协同整合了摩擦电、压电和电磁机制。采用圆形叠加的摩擦电配置，结合相位对准的单元策略，有效抑制了多层单元之间的相位不匹配和电气干扰，从而使输出功率提高了1.36倍，并简化了电气集成。在行走条件下，该设备实现了126.42 W m−3·Hz−1的体积功率密度，并在36秒内将10000 μF电容器充电至2.2 V。在背包挂载配置中，PHEH持续为蓝牙低能耗物联网模块供电，以实时无线监测环境参数。这项工作提供了一种可扩展的策略，结合可持续材料、相位工程架构和混合能源转换，朝着实用的自供电可穿戴和便携系统迈进。展望未来，通过优化在结构软化和人体工学集成来提高长期佩戴舒适度，以及在复杂和不规则的人体运动模式下增强机械稳健性。此外，当前性能本质上受运动频率和幅度的影响，这为适应性结构调谐和能源管理策略提供了改进输出稳定性的机会。在系统层面，可以探索可扩展的集成方案和面向网络的电源管理架构，以支持大规模或分布式自供电传感系统。这些方向为将当前设计转化为下一代可持续可穿戴能源平台提供了明确的路径。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.74920
人物简介：
李修函，北京交通大学教授，博士生导师。于2006年获得北京大学微电子学和固体电子学博士学位。主要研究方向为微纳米器件与能量采集、植入式生物医学微器件特别是无线能量传输系统。主持和参与多项科技部、国家自然科学基金项目。李教授发表了30多篇同行评议论文(Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy等)，授权发明专利6项。
郝逸君：北京交通大学博士研究生，博士生导师为李修函教授。目前主要研究方向为自供电能量收集、柔性可穿戴电子设备的研究。2023-2025连续三年获国家奖学金；2024年入选首届青年人才托举工程博士生专项计划。
苏嘉昱：北京交通大学博士研究生，博士生导师为李修函教授。目前主要研究方向为自供电能量收集、柔性可穿戴电子设备的研究。
朱霄鹏：北京交通大学博士研究生，博士生导师为李修函教授。目前主要研究方向为自供电能量收集研究。
