一、简介
可穿戴技术的快速发展影响了许多行业，包括医疗保健、体育、安全、环境监测、太空开发、软机器人、交通和工业传感。此类技术的采用需要创新的方式为此类设备供电，从而导致能量自主的可穿戴无线传感系统的出现，提供连续可靠的监控功能，无需外部电源或频繁更换电池。(1−4)多年来，在材料科学、电子学和无线通信技术进步的推动下，能量自主可穿戴无线传感系统的概念已经发生了显着发展。虽然早期的可穿戴传感器主要侧重于简单的传感功能，例如心率、呼吸、身体运动和计步，(4−6)最近的发展已经实现了更复杂的功能（例如，实时多个生理参数监测、运动跟踪、机器学习增强脑机接口和环境传感）。除了这些更先进的传感功能之外，还解决了利用环境能量的潜力，以便在无线传输数据和信息的同时提供更长时间、更连续的操作。(7,8)随着物联网、人工智能和5G/6G技术的不断发展，可穿戴电子产品将发挥举足轻重的作用，到2028年市场价值将达到1500亿欧元。(9)巴里隆达等人。报道称，可穿戴传感器市场正以18%的复合年增长率扩张，预计到2026年价值将达到2654亿美元。(10)这表明多个行业对可穿戴技术的需求不断增长，这将需要先进的能源自主系统。消除或减少可穿戴设备电池更换需求的能力将大大提高其便利性、可用性和可持续性，从而使它们对消费者和行业更具吸引力。
创建能量自主的可穿戴无线传感系统涉及几个基本构建块的集成（图 1）。这些模块包括（i）能量采集器、（ii）能量存储设备、（iii）传感器、（iv）通信模块和（v）处理单元。(11)能量采集器负责将环境能源转换为可用于为可穿戴设备供电的电能。环境能量可以从太阳能（有机太阳能电池（OSC）、钙钛矿太阳能电池（PSC）、染料敏化太阳能电池（DSSC））等来源收集，(12)机械（压电纳米发电机（PENG）、摩擦纳米发电机（TENG））、(13)或热能。(14)电池、超级电容器和混合系统等能量存储设备可以存储收集到的能量，以便在环境能量不可用时使用。(15)这保证了可穿戴设备的连续运行。传感器在从周围环境收集数据方面发挥着至关重要的作用。这种数据方式源自佩戴者周围的环境条件或来自佩戴者身体的生理信号。此外，这些数据还提供了有关佩戴者健康、生活方式、安全和工作等各种应用状态的有用信息，并为人机界面提供了额外的输入方法。此外，来自传感器的数据必须从可穿戴设备传输到外部设备。因此，需要通信模块来促进无线数据传输到外部设备，例如智能手机或笔记本电脑，这些外部设备可以连接到网络以进行进一步处理、数据存储和分析。此外，(16,17)
图1

图 1. 能量自主无线传感设备的最新发展示例，包括可穿戴能量收集、自供电传感、能量存储和通信设备。PENG，转载自参考文献 (37)和 OSC，转载自参考文献 (38)经许可。版权所有 2015 爱思唯尔。PSC，转载自参考文献 (39)经许可。版权所有 2015 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, TENG，转载自 ref (40)经许可。版权所有 2017 爱思唯尔。DSSC，经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (41)。版权所有 2015 作者。由施普林格自然出版社出版。超级电容器，转载自ref (42)经许可。版权所有 2022 爱思唯尔。贴片天线，经参考文献许可转载 (43)。版权所有 2018 IEEE。锂离子电池，经参考文献许可改编 (44)。版权所有 2020 Elsevier Ltd. 近场天线，经知识共享 [CC BY] 许可转载 (18)。版权所有 2020 作者。由施普林格自然出版社出版。

人体的特征，例如其形状、舒适度要求和安全问题，对可穿戴应用的无线传感系统的开发提出了挑战。为了确保舒适性和可穿戴性，可穿戴设备必须灵活、轻便、透气、生物相容，并且能够贴合人体轮廓。(1)此外，这些设备需要稳健可靠的制造技术来实现可扩展生产，同时保持高性能和功能。这就需要探索不同的材料和制造方法来满足这些要求并能够在人体上无缝实施系统。(16)研究人员一直在试验一系列材料和制造技术，以开发能量自主的可穿戴无线传感系统。其中包括传统聚合物、先进金属和功能材料（第 2.3 节中总结）以及光刻、铸造、印刷以及化学和机械改性等工艺。(18−21)虽然这些方法通常可以提供令人满意的电气和传感性能，但在佩戴者日常身体运动期间的舒适度方面仍然存在需要克服的挑战。为了创造真正的可穿戴设备，专家们正在探索先进的纳米制造技术和纺织工程概念，以增强可扩展性。(22)与大规模纺织品制造工艺兼容的技术对于将这些概念带出实验室并进入可行的生产线至关重要。
一种方法是使用纳米制造技术将传感和电特性集成到纤维和织物中。在这些方法中，静电纺丝已成为人类体外和体内应用的可行候选方法。(23,24)印刷、溅射、旋涂、化学气相沉积等各种技术(25)用于制造可穿戴电子产品的导电基板。然而，施加机械应力（例如拉伸或弯曲）可能会导致微裂纹的形成，最终导致电极电导率下降。(26)有趣的是，静电纺丝技术通过创建微/纳米多孔纤维结构来开发能量自主的可穿戴传感系统，从而比其他薄膜处理方法具有许多优点。它允许针对平坦和不对称表面进行多种光纤排列和可定制的孔隙率(27)并拥有适合可持续制造的高表面积体积比。(28)其分子级排列减少了对后处理技术的需求，例如在聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物中原位形成压电特性。(29−31)此外，它还可以在单​​个微米/纳米级步骤中实现多组分纳米制造。(32,33)与光刻、化学气相沉积和感应耦合等离子体蚀刻等其他技术相比，静电纺丝更具成本效益和效率，使其成为科学界的合理选择。(34)此外，静电纺纳米纤维可以通过加捻和编织技术轻松形成纱线，然后通过机织、针织或刺绣转化或附着到织物上，使其成为与当前纺织制造工艺集成的理想方法。(35,36)所有这些因素都有助于静电纺丝的积极影响，使其成为各种应用的首选。下面讨论静电纺丝的其他优点。
1.1. 纤维结构
静电纺丝可以制造直径从纳米到微米的超细/复杂的三维纤维网络。这些纤维可以很容易地收集为非织造垫或排列成具有所需耐磨性能的图案，例如透气性、(45−47)耐洗性，(48)生物相容性，(45)拉伸性、柔韧性。(49)这些纤维可以作为各种组件的构建块，包括传感器、电极和能量存储元件。(35)特别是，由于超精细制造的性质，静电纺丝可以生产透气、可洗、透明和柔性的石墨烯基电极(50)与银基或金基纳米结构电极相比，其成本效益较高。电纺纤维的高表面积与体积比为传感应用提供了增强的灵敏度，并为能源相关设备提供了高效的电荷存储。(51)
1.2. 性能可控性
该工艺可以轻松修改以控制纤维形态、成分和排列。通过调整纺丝参数和使用不同的材料，可以制造具有定制特性的纤维，例如高孔隙率、表面积、拉伸强度和弹性模量。(12,28,36,52−54)此外，一些静电纺丝技术（例如无针静电纺丝、湿式静电纺丝和吹气静电纺丝）的进步提供了更高的产量，旨在缩短制造时间。(32,55−59)这种多功能性使得静电纺丝适用于各种可穿戴电子应用。(12,28,36,52,53)
1.3. 与柔性基板集成
可穿戴电子产品需要灵活且舒适的基材，以确保舒适性和功能性。静电纺丝可以直接在柔性基材上进行，包括纱线、织物和聚合物薄膜，无需复杂的加工步骤。由此产生的静电纺丝纤维可以贴合基材的表面，从而可以与纺织品、服装甚至直接与人体无缝结合。这种顺应性增强了电子设备的舒适性和耐磨性。(36,60)选择合适的填充材料，(61)使用双组分(62)或多组分静电纺丝技术(63)并介绍进一步的加工方法，(64)柔韧性、弹性和其他相关机械性能可以进一步增强。
1.4. 多功能性
静电纺丝可以将各种功能材料掺入纤维​​中。通过结合不同的聚合物、纳米颗粒甚至生物分子，电纺纤维可以表现出多种功能，例如导电性、生物相容性和生物可降解性。这种多功能性使静电纺丝成为制造复杂、集成可穿戴电子系统的有吸引力的技术。(12,28,36,52,53,65)
迄今为止，已经有一些关于静电纺丝技术及其实施的综述论文。例如，薛等人。全面综述了静电纺丝纳米纤维的工艺、方法和应用。(51)最近，Zhi 等人，(36)巴布等人，(28)和乔希等人。(66)分别对静电纺丝在基于压电、摩擦电和超级电容器的可穿戴设备中的使用进行了全面的评论。与之前的研究相比，本文深入回顾了静电纺丝如何促进可穿戴、无线、能源自主设备中不同构建模块的开发，并考虑如何使用传统纺织工程技术将它们集成。本次综述中包含的文章重点关注 2023 年中期之前的能源自主可穿戴无线传感系统中的应用。除了能量收集、能量存储、传感和传输的改进之外，使用不同制造技术的机械和美学性能的改进也得到了同样的关注。据我们所知，
以下评论分为五个综合部分。第二部分详细解释了静电纺丝技术的历史、工作机制和优化参数，并概述了该领域当前的最新技术。第 3 节深入探讨了静电纺丝技术在机械、太阳能、热能和蒸发能收集以及自供电传感方面的应用。此外，我们在3.5节中讨论了可穿戴存储设备的开发，而3.6节则重点讨论了可穿戴天线开发技术的优化策略，而不牺牲性能或可穿戴性。第 4 节使用传统的纺织工程概念，为基于静电纺丝的可穿戴能量自主无线传感系统的可扩展性提供了宝贵的见解。此外，第 5 节介绍了当前可穿戴应用的标准测试程序，旨在生产市场就绪的产品。最后，第六节简要讨论了该领域未来的研究途径、应用和挑战。

2. 静电纺丝技术
2.1. 历史简介
静电纺丝可以归类为静电喷涂的一种形式。静电喷涂在雾化液滴从喷嘴分离之前将少量电荷施加到雾化液滴上。静电纺丝利用这种方法通过喷射形成生产连续纤维。纤维性能由聚合物材料的粘度和粘弹性能决定。(51)尽管静电纺丝的历史可以追溯到 1600 年代初，但直到 1902 年，Mortan 和 Cooley 才为静电纺丝工艺申请了多项专利。(35)1938年，苏联开始使用市售的静电纺丝产品来捕获气溶胶颗粒。1964 年至 1969 年间，杰弗里·英格拉姆·泰勒 (Geoffrey Ingram Taylor) 进行了一系列实验，从数学上理解施加高电压下的锥形聚合物液滴。(35,67,75)1996 年，Reneker 等人。报道了使用静电纺丝技术生产纳米纤维的可能性，作为一种有前途的纳米制造技术吸引了全世界科学家的兴趣。(68)
2.2. 工作原理
基本的静电纺丝装置由三个主要部分组成：射流形成机构、收集机构和高压源(72)（图2a）。通常，射流形成机构包括带有钝针尖的聚合物注射器。静电纺丝中使用的大多数材料是有机聚合物。将这些聚合物中的一些溶解在适当的溶剂中的可能性满足了实施基于溶剂/溶液的静电纺丝工艺的铅要求。(51)某些聚合物材料具有高耐化学性，这导致了熔体静电纺丝技术的发展。该技术涉及熔化聚合物并将其用于熔喷和纺丝粘合以生产纳米纤维。使用受控机制通过该针压缩聚合物。针尖和收集器之间施加的高电压导致电荷在针尖和聚合物液滴周围积聚。当累积电荷产生的静电排斥力超过特定聚合物类型定义的表面张力时，纳米纤维开始被吸引向收集​​器，然后以随机取向的方式固化和沉积。(72,73)最初，排斥力将聚合物液滴转化为圆锥体形状，通常称为泰勒锥体。尽管射流被设计为直线，但由于弯曲不稳定性，它会经历严格的鞭打（图 2b）。溶液参数、工艺参数和周围环境参数对静电纺丝工艺的性能有显着影响。(74)表1总结了每个参数对纳米纤维形成的影响。

2.3. 材料
在文献二甲基甲酰胺（DMF）中，(80,84)二甲基乙酰胺，(80)某些酒精，(51)甲酸、二氯甲烷、(85)四氢呋喃，(80)氯仿，(86)丙酮，(87)六氟异丙醇，(73)二甲基亚砜，(88)和甲磺酸(89)广泛用作静电纺丝溶剂。尽管水由于其高介电常数而不是静电纺丝的有利溶剂，但 PVA 静电纺丝通常使用去离子水进行。(51,90)此外，更多种类的可生物降解和生物相容性聚合物可以进行静电纺丝，瞄准可穿戴电子应用。通过利用静电纺丝，可以增强可生物降解材料的机械性能，包括与薄膜基材相比提高柔韧性、拉伸性和透气性。(91) 表 2总结了不同材料在静电纺丝中的使用，主要是在可穿戴环境中，这是本综述的重点。以下部分详细介绍了使用这些材料来提高与可穿戴应用相关的性能的不同静电纺丝技术。

2.4. 先进的静电纺丝技术
半个多世纪以来，离心纺丝一直用于通过调节孔口半径、喷丝头角速度、孔口中心到收集器的距离、聚合物相关参数和环境条件等参数来制造玻璃纳米纤维。 。离心静电纺丝是一种将静电场应用于传统离心纺丝技术的先进架构。实验结果表明，离心静电纺丝的生产率是低聚合物浓度的传统静电纺丝系统的12倍。(32)此外，离心静电纺丝可显着提高机械性能，并与熔融静电纺丝相结合，可以生产用于高倍率超级电容器的超细纤维。(32,102)
静电纺丝技术的早期进展表明，多喷嘴静电纺丝和多组分静电纺丝喷嘴可提高产量并促进功能材料的开发。(32,33)使用多喷嘴静电纺丝技术和移动收集装置（例如转鼓、心轴或带），可以开发具有高机械品质的高度定向纳米纤维结构，用于可穿戴应用。此外，多组分技术可以生产能量收集、存储和通信设备所需的双边导电和非导电表面样品。(32,33)
尽管传统的基于针的静电纺丝是一种简单且通用的纳米加工技术，但产量低、针堵塞和容量有限限制了其实际应用。(24)此外，快速增长的可穿戴电子市场需要更高的生产率，这就需要替代的静电纺丝技术。无针静电纺丝是一种流行的方法，它使用宽阔的液体表面和专门开发的喷丝头，喷丝头部分浸没在静电纺丝溶液中。作为无针静电纺丝的喷丝头，圆柱体（图2c）、圆盘（图2d）、球（图2e）、弹簧（图2）f)、线圈、线材、棒材和螺旋材越来越受欢迎。由于旋转引起的搅拌，所有这些喷丝板都可以在其表面形成薄的聚合物层。根据电场强度，向收集器形成圆锥形尖峰，从而产生多个聚合物射流。一些实验提供的证据表明，球式和盘式喷丝头可以很好地控制纤维直径和生产率，而改变环式和盘管式喷丝头中的电场会产生具有大表面积的更细纤维。(32)
2016 年，Laidmäe 等人。申请了超声波增强静电纺丝技术的专利（图2g）。(71)当将前体溶液放置在聚酯薄膜（电绝缘且导声）膜上时，该方法使用聚焦的高强度超声波来产生超声波喷泉。控制超声参数并保持朝向收集器的足够电场可以控制机械性能的梯度，为未来的可穿戴电子设备带来更大的前景。(71,103)
通常，静电纺丝的流速范围为 4–10 μL/min，这对扩大生产规模提出了挑战。然而，吹纺是一种很有前途且相对未经探索的方法，可以以 200 μL/min 的更高速率注入纤维。该技术利用气压将聚合物推动到表面上，类似于熔体纺丝，并将其与溶液静电纺丝中使用的聚合物溶解过程相结合。(55,56)吹纺纺丝在生产用于可穿戴电子应用的微米级纤维方面显示出了前景。(104)
大多数情况下，电纺膜具有由小直径纳米纤维形成的紧密堆积的小孔径。然而，通过从传统的固体收集器过渡到接地液体浴（使用电纺聚合物的非溶剂），可以实现具有特定功能的液相收集，例如具有 3D 的高孔隙率形态学。(105,106)这种方法被称为湿式静电纺丝，是可穿戴电子应用中相对尚未探索的领域。尽管如此，有证据表明，该技术的 3D 形态有助于快速获取储能设备中的电解质，从而实现更快的充放电时间和更高的存储容量。(57−59)
图2

图2.静电纺丝技术的原理和演变。(a) 基本静电纺丝设置和 (b) 静电纺丝鞭打动作。转载自参考文献 （51和69）经许可。版权所有 2006 美国化学会。旋转无针静电纺丝：(c) 圆筒、(d) 圆盘、(e) 球和 (f) 螺旋技术。c–f 经 ref 的知识共享 [CC BY] 许可改编 (70)。版权所有 2012 作者。由欣达维出版公司出版。(g) 超声波增强静电纺丝技术与聚合物室的结合使用，经知识共享 [CC BY] 许可授权转载 (71)。版权所有 2018 作者。由施普林格自然出版社出版。

3. 能量自主可穿戴无线传感系统开发的静电纺丝实现
文章部分跳到
本节讨论静电纺丝技术在制造用于能量收集和自供电传感功能的纺织品兼容材料中的应用。3.1和3.2节分别探讨了使用摩擦电和压电技术将静电纺丝用于机械能收集和自供电传感的用途。
3.1. 静电纺丝可穿戴机械能量采集器
人体运动是为可穿戴传感器供电的相关能源。例如，脚踝、手臂、膝盖、肩膀、肘部和手指的运动可分别产生 66.8、60、36.4、2.2、2.1 和 6.9 W 至 19 mW 的能量。(107)基于压电和摩擦电原理/TENG 和 PENG 设备的两种最广泛使用的可穿戴能量收集方法，分别如图3a、b 所示，是开创性的机械能量收集和自供电传感技术，可以将不规则和低能量转换为能量。人类运动的频率。机械运动到电力/信号的转换可以通过麦克斯韦位移电流方程来描述。(108,109)PENG是Wang的研究小组于2006年提出的概念，致力于研究特定压电材料的应力状态和电极化。(110−112)几年后，范、田和王于 2012 年基于接触起电和静电感应开发了 TENG。(113)最近的一项调查显示，全球有 6000 多名科学家正在从事 TENG 研究，这使其成为可穿戴电子电源/信号的一种有前景的方法。(108)此外，基于材料选择、架构、制造技术和电源管理方法，可以调整压电和摩擦电器件的功率转换效率和峰值功率输出。(114,115) 补充说明 1提供了一些与静电纺丝在 PENG 和 TENG 应用中的使用以及功能和可穿戴特性相关的示例。此外，由于某些材料的自然极化，利用静电纺丝技术制造混合 PENG 和 TENG 器件具有优势。与其他制造方法相比，这可以提高发电量和灵敏度。(116,117)
3.1.1. 基于摩擦电的能量收集
摩擦纳米发电机通过摩擦起电和静电感应发挥作用，导致两个带电表面的相对运动。尽管摩擦起电的确切过程仍不清楚，(108)有证据表明它主要通过电子发生，(119)带电材料，(120)离子或所有因素的组合。(121)此外，Ko 等人。研究了摩擦起电过程的电子传递机制，得出结论：与势垒界面势垒存在正相关关系，粘滞电荷是摩擦起电分离的基础。(122)基于经验分类开发了摩擦电系列来识别带正电和带负电的材料：(123)例如，木材和尼龙等材料处于天平的一端，倾向于带正电，而 PDMS、PVDF 和硅橡胶则倾向于带负电。有许多出版物量化了摩擦电级数，(123)在 Gunawardhana 等人之前的一份出版物中，我们提出了与可穿戴材料相关的调整后的摩擦电系列。(1)TENG 设备通常使用两种在摩擦电系列中彼此分离良好的材料，以实现更高的电荷分离。TENG装置内的材料排列方式有不同的设置，以确保这些材料之间的相互作用以产生能量，包括接触分离、横向滑动模式、独立电极模式和单电极模式。TENG 接触分离模式（图 3a）是最常见的架构。使用这种传统架构，TENG 设备具有两种不同的非导电（或一种导电和另一种非导电）材料，这些材料连接到连接到外部负载的电极上（图 3A）。摩擦电材料经历紧密接触和分离运动，由于摩擦起电效应导致电荷分离。材料相对力矩的重复可以将电荷感应到所连接的电极，从而通过外部负载产生从一个电极到另一个电极的电子流。当 TENG 的摩擦电材料相互接触时，电子流向一个方向；然后，当摩擦电材料分离时，电子沿相反方向流动，从而产生交流电。选择和制造摩擦电系列中更远的合适材料，以及静电感应过程的改进，是与该技术相关的开创性研究课题。

在式2中，J D是位移场D在时间t内的位移电流密度，E是电场，ε 0是介电材料的介电常数，P是极化场。在此等式中，虽然术语_
提供有关无线通信中电磁波的重要信息，_
与纳米发电机装置的输出电流直接相关。(108,124)另外，PENG和TENG装置被称为电容感应装置。针对接触分离模式 TENG 架构开发了平行板电容器模型，以解释纳米发电机的电压 ( V )、电荷 ( Q ) 和层分离 ( x ) 之间的关系，即V - Q - x关系。

图3.机械能收集技术的原理和工作机制。(a) TENG示意图及主要工作模式；(b) PENG工作机制。改编自参考文献 (118)经许可。版权所有 2021 美国化学会。

DDEF 模型不仅可用于带电表面，还可用于分析电极的输出行为。同时，DDEF 可以预测 TENG 设备的功率输出行为。此外，Dharmasena 等人。研究了功率输出对材料参数（例如摩擦电荷密度和介电常数）以及结构参数（例如层厚度和表面积）的影响。理论结果表明，摩擦起电与功率输出呈二次关系，因此将电荷密度确定为 TENG 功率优化的关键因素。(107)这意味着表面积的增加和TENG层厚度的减少有利于TENG器件产生更高的功率。此外，增加表面积会降低内部阻抗，并且保持足够的厚度对于稳定摩擦电荷的积累至关重要。静电纺丝可用于 TENG 器件，以增加表面接触面积，从而增加电荷密度并产生高功率输出。此外，由于纳米加工的性质，静电纺丝产生的层的厚度可以控制，这有利于高发电。
静电纺丝可以制造单一摩擦电表面或基于复合材料的设备架构，以创建 TENG 设备。(28)金等人。研究了在一步静电纺丝过程中使用 PI 纳米纤维开发 TENG 设备的可能性（图 4a）。在本实验中，PI层用作摩擦负层，而铝用作摩擦正层。最初，该设置在使用商用 PI 薄膜时展示了 66.1 V 的开路电压 ( VOC )和1.68 μA 的短路电流 ( ISC )。随后，用丝网印刷PI膜取代商用PI膜，使V OC降低至45.6 V，I SC降低至1.61 μA。相反，静电纺 PI 纳米纤维薄膜表现出明显更高的VOC为 366 V，ISC为6.52 μA，从而提高了 TENG 器件的性能。SEM 图像显示，商业生产的 PI 薄膜和丝网印刷的表面是平坦的，并且与静电纺丝样品相比具有较低的表面积。值得注意的是，三个样品的静电没有明显差异；因此，表面积的增加是产生更高表面电荷和更大静电感应的主要因素，最终导致更高的输出功率。(92)
图4

图 4. 使用静电纺丝单摩擦电层和双摩擦电层改性来实现能量收集应用。(a) PI纳米纤维和铝基TENG的示意图。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (92)。版权所有 2020 作者。由施普林格自然出版社出版。(b) 分别基于 0 rpm 和 4000 rpm 旋转收集器的纳米纤维的有序静电纺丝样品示意图和 SEM 图像，(i)-(iii)。转载自参考文献 (127)经许可。版权所有 2020 美国化学会。

材料的选择是TENG器件设计的一个重要因素。铁电聚合物，即 PVDF、PVDF-TrFE 和 PVDF-HFP，广泛用于基于静电纺丝的 TENG 设备，因为它们的高氟含量有助于高电子亲和力，从而产生摩擦负性表面。(73)李等人。发表了一篇关于 PVDF 作为 TENG 能量收集和自供电传感功能材料的进展的全面综述。(93)总结他们的发现，除了具有高电子亲和力之外，利用各种静电纺丝布置还可以提高所生产的 PVDF 纤维的物理和电气质量。王等人。使用PVDF（负摩擦）和PA6（正摩擦）开发了TENG，通过静电纺丝获得平行纳米纤维排列，具有平衡的物理和电气性能（图4b）。在静电纺丝过程中，通过改变旋转速度，通过平行排列的旋转收集器收集 PVDF。滚筒的高速度减小了纤维直径并增加了纵向的拉伸强度。此外，在 2 Hz 冲击频率、间隔 4 mm 下，所得 TENG 表现出VOC电压为 164 V，I SC为 392 nA，功率密度为 129.46 mW m –2，在 100000 次循环后非常稳定。(127)此外，宋等人。观察到以平行方式增加电纺纳米纤维的排列可以改善PVDF中的前向极化偶极子，从而使VOC 、 I SC和功率密度分别增加0.5、2.6和2.2倍。当 PVDF 纳米纤维的压电特性产生的电荷与摩擦产生的电荷对齐时，这种现象很可能发生。结果，表面极化显着增加。(128)
除了原始材料静电纺丝之外，功能性填充材料(129)已与静电纺丝前驱体一起使用，以提高 TENG 器件的性能。例如，孙等人。发表了一种灵活的 TENG 架构，采用 MoS 2 /CNT (MC) 负载的 12% PVDF 电纺纳米纤维（摩擦负性）和尼龙织物作为正层（图 5a）。开尔文探针力显微镜结果与PVDF纳米纤维和负载MC的PVDF纳米纤维进行比较表明MC可以提高PVDF纳米纤维的表面电位，增强电性能。负载 0.3% MC 的 PVDF在 1.5 Hz 频率、50 N 接触力和分离力下产生300 V 的V OC和 11.5 μA 的I SC 。此外，134 mW m –2功率密度是通过 100 MΩ 电阻的负载电阻实现的，可以在 44 秒内为 10 μF 电容器充电。与这些发现相反，MC 含量的进一步增加会形成导电网络，从而产生漏电流，从而中和表面的一些电荷。此外，证明需要有足够的厚度来进行电荷积累和转移，当厚度从0.04毫米增加到0.08毫米时，性能得到提高（图5a（i，ii））。相反，进一步增加超过此厚度会降低我们之前讨论的 DDEF 模型中给出的性能。然而，该器件输出在 3000 次循环后保持稳定，并且在正常的室内湿度和温度下暴露 6 个月后，仍保留了 30% 的性能。(130)
图5

图 5. 使用静电纺丝工艺进一步改进和开发用于 TENG 应用的复合结构。(a)电纺PVDF层厚度((i)电压，(ii)电流行为)和MoS 2 /CNT((iii)电压，(iv)电流)浓度对输出性能的影响。转载自参考文献 (130)经许可。版权所有 2022 美国化学会。(b) 基于静电纺丝 TENG 的自供电 NH 3监测传感器示意图。转载自参考文献 (132)经许可。版权所有 2022 美国化学会。(c) 使用 PLA 和 PVDF 复合 TENG 装置的示意图。转载自参考文献 (133)经许可。版权所有 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA，魏因海姆。(d) 单喷嘴、共轭喷嘴和多喷嘴针静电纺丝系统示意图。转载自参考文献 (134)经许可。版权所有 2021 美国化学会。

除了MC之外，MXene材料还可以用作填充材料，提供优异的电磁干扰屏蔽、高电化学活性以及有利于TENG应用的优异体积电容特性。(131)当 MXene 用作薄膜时，需要克服一些挑战，包括低柔韧性、高度脆性和表面粗糙度。然而，静电纺丝制造可以通过保持纳米级表面粗糙度、增强摩擦接触和增加表面体积比来解决这些问题，从而提高灵活性。萨达纳等人。使用 MXene 纳米纤维（30% MXene/PVA 阴性）和 19% CA 溶液（阳性）开发了一种可穿戴实时气体监测系统（图 5 b）。该器件（尺寸为 3 × 3 cm 2）可产生最大电压 140 V、电流 92 μA 和功率 ∼1.361 W m –2通过 2 MΩ 负载电阻。MXene 的高摩擦负性和导电特性通过产生更高的输出显着降低了摩擦电层的内部阻抗。该设备针对实际应用，并在鞋垫上安装了合适的电源管理系统，成功为基于 MXene/TiO 2 /CNFs 异质结的传感器提供了动力，用于 NH 3检测(132)（图 5b (ii)）。
静电纺丝可用于开发适用于可穿戴 TENG 设备的高导电性、多孔且柔性的电极。例如，秦等人。展示了一种复合材料 TENG，使用 Janus 结构，以 PLA 和 PVDF NHF 纳米纤维作为摩擦电表面，并使用 PEDOT 来实现各层的导电性（图 5 c (i)）。PEDOT-PLA纳米纤维和PEDOT-PVDF NHF的电导率分别为~2.63和~66.67 mS cm –1。该设备重量超轻（2 × 2 cm 2样品，含 25.8 mg），V OC为 140 V，I SC在周期性接触和分离运动下，电流为 3.8 μA，电荷为 48 nC，通过 150 MΩ 的峰值功率为 0.75 mW。此外，该设备还可用于点亮50个商用LED灯，并识别人类手腕的喉咙吞咽和抓握动作。(133)此外，Janus 结构的静电纺丝创造了一种透气、轻质、灵活的结构，穿着舒适。它还可以提高导电层和摩擦电层之间的粘附力，同时减少分层。
优化 TENG 基底功率输出的另一个因素是改变静电纺丝制造工艺参数。功率输出是推动该技术商业化的最重要因素之一。静电纺丝系统的布置对TENG装置的功率输出有显着影响。金等人。观察了基于单喷嘴、共轭喷嘴和多喷嘴静电纺丝系统的功率输出效果（图5d). 在实验过程中使用所有三种技术开发了 PI/PVDF-TRFE 复合纳米纤维膜。之前的实验证明PI具有保留更多感应电荷和更高电性能的能力。能量色散光谱和 SEM 的证据表明，使用单个喷嘴分别为 PI 和 PVDF-TRFE 产生逐层结构。另一方面，采用共轭和多喷嘴技术可以在整个材料中形成 PI/PVDF-TRFE 纳米纤维的混合物，从而使两种成分同时存在并发挥作用。根据结果​​，使用共轭或多个喷嘴而不是单个喷嘴时，功率输出有所增加，因此得出结论，共轭或多个喷嘴是制备复合纳米纤维的更好替代方案。此外，(134)
利用化学修饰和机械修饰来提高 TENG 设备的机械、美观和电气性能是一个备受研究的领域。(22)有趣的是，李等人。观察到基于静电纺丝纳米纤维的 TENG 装置的机械性能、摩擦电极性和疏水性可以通过材料设计方法来改变：例如涂层和蚀刻。当使用 NaOH 蚀刻的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 涂层的 PVDF 膜（图 6 a (i)）作为摩擦负性材料和 HCl 蚀刻的 PAN/PA6 (C-18 g) 基膜时（图 6 a (ii)） ）作为摩擦正材料，该器件产生540 V 的V OC和 110 μA 的I SC。相比之下，原始材料的产量较低。在表面改性样品中，V OC为 340 V，I SC在 90% 湿度下观察到 60 μA 的电流，而原始样品的功率输出急剧下降。该实验的结果表明，由于电纺膜的化学改性，机械性能得到改善。(40)
如前所述，增加的接触面积导致更大的表面电荷，从而改善了电荷生成过程。研究表明，在摩擦电摩擦层中添加多孔结构可以增加有效接触面积，有利于捕获更多电荷。为了优化此类器件的功率输出，建议使用相对较薄、孔隙率适中（需要通过实验确定）、孔径较小的闭孔结构和高介电常数的层。(135)张等人。研究了通过自组装电孔创建对电气性能、输出稳定性和使用舒适度的改善（图 6 b）。在实验过程中，制备了静电纺丝溶液（14% PVDF），用不易挥发的（二甲亚砜）和高挥发性的（丙酮）成分改变了溶剂混合物的组成。如图 6 b (i)–(iii)所示，增加前体中不易挥发的含量会增加静电纺丝样品溶剂蒸发后的孔径。最终溶液中挥发物含量减少 80% 的静电纺丝样品，与天然橡胶垫（面积 20.25 cm 2）接触和分离，可产生1403 V 和 10.6 W m 的VOC5.5 N 力下–2功率。在85%的湿度下，该装置仍能产生22%的电力，并通过孔隙结构转移到底部区域，加速汗水的蒸发，(30)这是在实际使用中此类设备的佩戴舒适度需要考虑的重要因素。
3.1.2. 基于压电的能量收集
压电特性是由于特定材料的应力或应变状态与其电极化之间的线性耦合而产生电场的自然现象，其本质上是可逆的。1880年，雅克和皮埃尔·居里观察到某些无机晶体的压电特性。20世纪50年代，锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡（BaTiO 3）被用于压电技术的工业和商业化目的。(45)尽管压电特性在陶瓷晶体材料中很突出，但它也是一些聚合物材料所固有的，例如铁电聚合物（PVDF）、PA、多肽和聚酯。由于施加机械力（以 N 为单位）而在单位面积（以 C 为单位）产生的电荷被认为是压电材料的压电系数d ij ，其中i是电场传播的方向，j是电场传播的方向所施加的力。(45,136,137)孙等人。通过了解压电纳米结构上的外力产生的电荷密度、容量和最大电压，推导出了方程。(138)此外，Smith 和 Kar-Narayan 在参考文献中提供了有关对称性要求、基本机制以及与压电材料相关的进一步加工的详细信息。 (139)。然而，对压电材料的理论理解是优化 PENG 概念的重要因素。

使用化学和机械修改来提高 TENG 设备的机械、美观和电气性能。(a) 用 NaOH 蚀刻的 PVDF/PDMS 膜 (i) 和 HCl 蚀刻的 PAN/PA6 膜 (ii) 制成的 TENG 示意图。转载自参考文献 (40)经许可。版权所有 2017 Elsevier Ltd. (b) 表面改性改变静电纺丝溶液中溶剂的挥发物含量：SEM 和缠结网络结构 (i)、纳米孔松质骨状结构 (ii) 和塌陷纳米孔结构 (iii) 的制备。转载自参考文献 (30)经许可。版权所有 2019 爱思唯尔有限公司

在式5和式6中，z是厚度，s是应变，R是外部载荷，A是表面积，t是时间，ε是材料的介电常数。根据这些方程，d ij的增加可以极大地提高 PENG 装置的功率输出。此外，徐等人。提供的证据表明表面纳米结构可以将压电势分布在表面的横截面上，从而有利于最终结果。(141)在可穿戴应用中，聚合物材料由于结晶和非晶区域的混合而受到青睐。然而，与d ij为500 pC N –1的陶瓷材料相比，初始聚合物材料的系数约为普通陶瓷材料的1/20。(139)有趣的是，静电纺丝PVDF纳米纤维的d 3 3为57.6 pC N –1，而PVDF薄膜的d 3 3 为15 pC N –1，显示出静电纺丝的显着改善。(45)尽管 PVDF 材料具有 α、β、γ 和 δ 相，但 β 相是最突出的相，具有最高的自发极化，可产生高压电功率输出。(82,142)静电纺丝可用作极化机制来提高β相含量，从而产生更高的功率输出。(82,94,139)
用于创建可穿戴应用压电活性层的最著名的聚合物包括 PVDF 及其共聚物、PAN、纤维素和 PLA，它们与静电纺丝兼容，因此可以在电气性能和可穿戴性能之间提供平衡。此外，静电纺丝过程中的高压场可以进一步增强和调整PENG材料的电极化。米尔贾拉利等人。全面审查了用于能量收集和自供电传感的静电纺丝 PENG，(94)和余等人。对用于生物应用的静电纺有机纳米纤维进行了综述。(45)在本节中，首要考虑的是利用静电纺丝纳米纤维开发 PENG 和静电纺丝复合 PENG 结构。我们讨论了静电纺丝方法的优点以及如何通过化学和机械修饰进一步提高器件性能。
前期对压电、热电和铁电材料的研究表明，PVDF及其共聚物的二面角为180°的全反式构象的β相表现出最高的输出性能。他等人。回顾了不同静电纺丝参数对调节 β 相和结晶度的影响，从而提高了静电纺丝 PVDF 纳米纤维的压电性能。增加针尖和收集器之间的施加电压可以增加电荷数量和更高程度的分子取向，有利于 PVDF 纳米纤维的结晶度。然而，增加超过 20 kV 会加速充电器的飞行时间，而无需控制其方向，从而导致材料的压电性能降低。此外，TCD 在 9-15 cm 区域内的 β 相形成之间呈正线性关系，超过该区域，TCD 会下降。目前尚不清楚流量的行为是否会影响压电性能；然而，有证据表明，流速增加最多 2 mL/h 会增加压电特性，超过此值后会观察到压电特性的下降。此外，使用旋转收集器并将转速提高至1500 rpm，增加了β相和结晶度。除了工艺参数外，还可以调整溶液参数来调整 β 相和结晶度。这些参数包括分子量（最大输出为 777000 g mol 目前尚不清楚流量的行为是否会影响压电性能；然而，有证据表明，流速增加最多 2 mL/h 会增加压电特性，超过此值后会观察到压电特性的下降。此外，使用旋转收集器并将转速提高至1500 rpm，增加了β相和结晶度。除了工艺参数外，还可以调整溶液参数来调整 β 相和结晶度。这些参数包括分子量（最大输出为 777000 g mol 目前尚不清楚流量的行为是否会影响压电性能；然而，有证据表明，流速增加最多 2 mL/h 会增加压电特性，超过此值后会观察到压电特性的下降。此外，使用旋转收集器并将转速提高至1500 rpm，增加了β相和结晶度。除了工艺参数外，还可以调整溶液参数来调整 β 相和结晶度。这些参数包括分子量（最大输出为 777000 g mol 除了工艺参数外，还可以调整溶液参数来调整 β 相和结晶度。这些参数包括分子量（最大输出为 777000 g mol 除了工艺参数外，还可以调整溶液参数来调整 β 相和结晶度。这些参数包括分子量（最大输出为 777000 g mol–1）、浓度（越低越好，但最佳约为16-20%）和溶剂挥发度（要求中等挥发份含量，例如丙酮40%）。环境条件也会影响特性；例如，在25℃温度下维持高湿度环境可以增加PVDF材料中β相(F(β))的百分比。(82)
PENG 装置的最新进展主要在静电纺丝前驱体中使用复合材料来提高 PENG 装置的功率输出。例如，Eun 等人。在静电纺丝前驱体中添加多壁碳纳米管（MWCNT）并观察拉伸和压电性能。使用基于定制线性传送带的收集机制对静电纺丝纤维进行定向，增加了 β 相、韧性和初始弹性模量。MWCNT 增加至 0.008 wt% 可以增加F(β) 提高了 46%，韧性为 0.70 ± 0.01 g/d，初始模量为 1.76 ± 0.19 g/d。这些结果基于按照 ASTM D2256 标准进行的拉伸测试，标距长度为 250 毫米，十字头速度为 300 毫米/分钟。据观察，当MWCNT百分比增加超过0.008wt%时，性能下降。当样品连接到压电测试仪时（图 7a），0.01 wt% MWCNT 样品的VOC为0.71 V，与原始随机取向的 PVDF 纳米纤维相比增加了 343%。(143)
数千年来，模仿自然结构以促进技术发展一直是科学家研究最多的领域之一。其中，仿人体设备有时被用于可穿戴电子产品的开发中，以解决佩戴者的舒适度问题。此外，在PENG能量收集中，压电基板和导电表面应同时处理可穿戴和电气性能的平衡。考虑到这些因素，Veeramuthu 等人。使用静电纺丝纳米结构开发了一种受人体肌肉纤维启发的导电基底（图 7b). 首先，制备导电基材，将三氟乙酸银还原，在机械扭曲的 12 wt% 弹性体苯乙烯-丁二烯-苯乙烯 (SBS) 电纺基材上形成 AgNP。其次，将 16 wt% PVDF 静电纺丝到早期制备的 30% 预拉伸导电基材上。最后，将 AgNW 喷涂在 PVDF 基底上 75 秒。最终设计具有优异的机械特性（伸长率为 711.85%，韧性为 10.05 MJ m –3，6000 次循环后 Δ R / R 0 为 1.05）和电气特性（VOC为29.5 V ， I SC ）0.39 μA 和 11.57 μW 功率）。使用静电纺丝技术开发的纱线的韧性比湿纺技术的纱线高 10 倍，在人体运动的压力和应变下提供有希望的结果。导电渗透网络负载的增强符合菲克扩散定律。这表明电纺样品中前体的吸收和 AgNP 的快速形成有利于更高的机械性能。最终设计在用于手势识别的自供电智能手套中得到了成功演示。(144)
使用合适的材料，静电纺丝技术可用于开发用于 PENG 结构的高导电性、水蒸气渗透性、透气性复合结构。薛等人。设计了一种带有 PU/AgNW 电纺电极和 PU/P(VDF-TRFE) 作为功能压电层的 PENG 装置。在复合结构中，第 1 层是使用 PU 前体和 AgNW 乙醇分散体制造的。对 PU 进行静电纺丝，同时将 AgNW 电喷射到 PU 层上。第 2 层是使用 PU/P(VDF-TRFE) 静电纺丝制备的，而第 3 层是通过重复第 1 层的程序制备的（图 7c）。开发的电极产生 1.4 Ω sq –1 的薄层电阻，同时施加拉伸应变，电阻增加高达 40%，高达 23.2 Ω sq –1。由于电纺膜的多孔性质，该复合结构在构建的测试方法下具有高水蒸气渗透性。在器件（3 cm × 4 cm）上重复施加 32 N 的力（20 Hz）可产生47.9 V 的VOC、 31.8 μA 的I SC ，以及通过 10 MΩ的最大功率密度 35.3 μW cm –3电阻器并稳定20000次循环。(145)
对静电纺丝压电层和导电层进行机械和化学改性可以显着提高性能。例如，迪亚兹·桑切斯等人。使用无针静电纺丝技术生产了具有 LiCl 盐负载的 P(VDF-TRFE)/聚环氧乙烷的海绵状 3D 结构 PENG 压电层（图 7d）。与传统的静电纺丝相比，该技术可以有效地生产更厚的纳米纤维垫。纳米纤维。XRD 分析证实，与原始 PVDF 相比，开发的样品中存在更高的 β 相。此外，夹有铜箔的 700 μm 厚 3D 结构在受到 1.58 N 重复 (4 Hz) 冲击力时，通过 15.1 MΩ负载电阻产生69.4 V 的VOC和 40.7 μW cm –2功率。此外，连接到触发器并行走 100 步的设备可以在 1 分钟内将 1 μF 电容器充电至 15.31 V。(146)
图7

图 7. 静电纺丝改进的基于 PENG 的能量收集装置。(a) 负载 MWCNT 的 PENG 器件电性能表征示意图。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (143)。版权所有 2021 作者。由 Elsevier Ltd 出版。(b) 基于人体肌肉的电纺导电和压电层 TENG 装置：电极制备过程 (i) 和智能纺织品制造原理图 (ii)。转载自参考文献 (144)经许可。版权所有 2022 Elsevier Ltd. (c) 采用 PU/AgNW 和 PU/P(VDF-TRFE) 的复合静电纺丝 PENG 装置：同时静电纺丝 PU 和 Ag 纳米线 (i) 以及最终装置的 SEM 图像 (ii)。转载自参考文献 (145)经许可。版权所有 2021 IOP 出版。(d) 无针静电纺丝生产 3D 海绵结构。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (146)。版权所有 2022 作者。由爱思唯尔有限公司出版

3.2. 基于静电纺丝的机械自供电传感
电纺 TENG 和 PENG 装置作为能量收集器的使用分别在3.1.1和3.1.2节中讨论。除了能量收集之外，通过机械运动产生电荷的能力意味着 TENG 和 PENG 还可以配置为自供电传感设备。
3.2.1. 基于静电纺丝的摩擦电自供电传感
许多研究已经开发出使用电纺膜在体内和体外监测人体生理信号的传感器。不依赖单独电源的优势意味着 TENG 自供电传感已成为可穿戴电子领域中备受研究的领域。(1,136)阿拉古玛莱等人。对机器学习和自供电传感相结合的可能性进行了全面的回顾，为未来的研究提供了更多的途径。(147)在本节的其余部分中，将详细讨论静电纺丝可穿戴 TENG 自供电传感器的一些示例。
简等人。开发了一种用于检测人体生物力学的 TENG 传感器，分别使用 TiO 2 @PAN 电纺膜和尼龙薄膜作为摩擦负层和摩擦正层，并使用 AgNW/TPU 复合电纺层作为电极。除了这些层之外，静电纺丝电极和摩擦负性膜之间还使用聚四氟乙烯夹层，以保护电极免受潮湿。最上层含有TiO 2纳米颗粒，可以吸收紫外线(UV)并起到自清洁、抗菌作用。此外，静电纺丝是一种高效的生产方法，并为 TiO 2提供均匀的性质通过 PAN 网络，这对于其他制造方法来说是相当具有挑战性的。该设备在 0–4 kPa 范围内的灵敏度为 5.2 mV Pa –1 ，对于压力 >4 kPa 的范围为 0.6 mV Pa –1。此外，该设备还可以检测和区分人体运动，例如行走、跑步、蹲下和跳跃，如图8a所示。此外，该设备可以检测自供电计步器系统所需的信号。(148)
图8

图 8.基于静电纺丝改性的 TENG 自供电传感的应用。(a) 基于纳米纤维的防紫外线、自清洁和抗菌 TENG 传感器：输出电压与施加压力 (i)、不同的腿部动作和设备的相应结果 (ii) 以及步行 (iii)、跑步的灵敏度（iv）、蹲（v）和跳绳（vi）。转载自参考文献 (148)经许可。版权所有 2021 美国化学会。(b) 基于神经网络的自认证系统：系统原理图和架构 (i)、基于电容的压力传感器的精度矩阵 (ii)、基于 TENG 的压力传感器的精度矩阵 (iii)、混合压力的精度矩阵传感器 (iv)，以及静态、动态和混合技术的比较 (v)。转载自参考文献 (29)经许可。版权所有 2022 Wiley-VCH GmbH。

由于技术的进步，安全正在成为全球关注的重要领域之一。基于压力传感的用户身份验证在智能家居和家电控制系统中非常受欢迎。智能设备和可穿戴技术的进步表明了将此类功能嵌入到复杂服装中的潜力。主要可以通过电容、电阻和压阻方式实现静态压力感测，而使用这些技术来测量诸如按压时间和保持时间之类的动态压力感测信息具有挑战性。未来需要先进的方法来应对这些挑战。Bhatta 等人研究的一种方法。使用混合复合纳米纤维 TENG 和电容压力传感器来测量动态和静态压力。在该实验中，在同一前体中使用硅氧烷和PVDF来生产静电纺丝摩擦负性层，而尼龙66静电纺丝层用作摩擦正性层。硅氧烷带来的高电荷密度传播和静电纺丝带来的高表面积为将传感器小型化至标准传感器尺寸 5 mm × 5 mm 提供了条件，并与最大灵敏度为 12.062 kPa 的电容技术混合–1在 0–3.5 kPa 范围内，2.58 V kPa –1在 3.5–25 kPa 范围内。TENG 的整流输出可用于以自供电方式为电容器充电。最后，集成到 AI 系统中的传感器可以以 98% 的准确度预测用户（图 8 b）。(29)
3.2.2. 基于静电纺丝的压电自供电传感
步行、跳跃、蹲下、关节弯曲、关节旋转、肌肉运动和眼球运动等基本人类活动，以及心跳、动脉压和呼吸等生理测量，对于监测健康和人类生活方式至关重要。(149)本节将提供有关使用 PENG 自供电传感以及使用静电纺丝技术进一步增强这些设备灵敏度的信息。
Su 等人开发了此类设备的一个例子，其中基于 PENG 的自供电传感器用于步态模式监测、步行习惯识别和确定跖骨痛并发症。在器件制造中，使用钐掺杂铌镁酸铅/钛酸铅基 PVDF (Sm-PMN-PT/PVDF) 来生产静电纺丝前驱体。Ti 3 C 2 T x负载量为 2.5 wt%（MXene 片层）添加到前驱体中，使 Sm-PMN-PT/PVDF 的压电性提高了 160%。样品的 XRD 光谱分析证明最终样品具有多晶钙钛矿结构，并且在 MXene 负载量为 2.5% 时提供了与 β 相相关的最高峰。在前驱体中掺入 MXene 对静电纺丝样品的形态影响最小，从而提供良好的耐磨特性。将施加的力从 1 N 增加到 9 N，电压和电流分别从 ∼7 V 增加到 ∼12 V，从 ∼0.25 增加到 ∼1.2 μA。开发的传感器连接到鞋垫的五个不同位置，如图9所示人工智能）。有趣的是，与跳跃、行走、跑步、向后跌倒和向前跌倒相关的信号输出存在显着差异（图9a（ii））。此外，传感器系统可以检测姿势异常，例如内八字或八字足（图9a（iii）），并可用于跖骨痛病症的临床预后（图9a（iv））。(150)
湿度和温度等环境因素造成的水分含量会大大降低基于 PENG 的可穿戴传感器的灵敏度和转换能力。此外，含氟聚合物还存在输出信号弱（d 33 = 29 pC N –1）和检测限制较差（100 ppm）等缺点，不利于潮湿环境中的信号转导。苏等人。通过将聚醚酰亚胺（湿度传感材料）引入钐掺杂 PMN-PT ( d 33 = 1500 pC N –1）静电纺丝溶液。电纺纤维的平均直径为 460 nm，含有钐掺杂 PMN-PT 100 nm 纳米粒子。用聚醚酰亚胺增强天然多孔结构，以促进水分颗粒的高效化学吸附。最终传感器的灵敏度为 5.7 VN –1，线性度为 0.986 ( R 2）。此外，在低湿度下，即从0%到0.9%的小湿度变化时，性能受到轻微影响，但在7%到97.3% RH的大湿度变化下，性能受到很大影响，并且可以在20 s内恢复。结果表明，静电纺丝时间和层厚与压电系数和介电常数呈正比例关系。此外，该设备还可用于检测与焦虑相关的面部表情和静态出汗水平。它还用于连续识别浅呼吸、规则呼吸、深呼吸和快速呼吸模式（图 9b）。(151)
杨等人。利用PVDF/ZnO开发了超细同轴分层结构PENG传感器，用于监测呼吸、手腕脉搏和肌肉行为等生理信号。制造过程分三个步骤进行：首先静电纺丝 PVDF，然后使用磁控溅射在静电纺丝表面上保形涂覆 ZnO 纳米晶体，最后使用锌阳离子和氧阴离子外延同轴生长 ZnO 纳米棒（图 9 ）c(i,ii))。静电纺丝工艺带来的高表面积和多孔结构提供了优异的相容性、与人体皮肤的高表面接触以及高气体/空气渗透性。该原型包含直径 800 nm 的 PVDF 纳米纤维和典型厚度为 35 μm 的 25-50 nm ZnO 纳米棒。基于PVDF/ZnO纳米纤维的装置的灵敏度为3.12 mV/kPa，而PVDF纤维的灵敏度为0.527 mV/kPa。最终设备成功识别了正常、深呼吸和喘息呼吸模式（图 9 c (iii)）。此外，它的灵敏度足以识别手腕脉搏（图9c（iv）），并且可以区分与脉搏周期相关的叩击波、潮汐波和舒张波（图9c （iv））简历））。此外，将该设备与合适的电路一起连接到小腿肌肉的表皮上，用于步态监测。(152)
辅助通信技术对于有健康问题或有缺陷的人来说是一项重要功能。李等人。开发了一种使用基于 P(VDF-TRFE) 电纺纳米纤维的 PENG 装置的运动通信方法。静电纺丝技术可用于使传感器小型化，并通过将空气捕获在多孔结构中来降低介电常数，从而有利于更高的灵敏度。在实验过程中，表面孔隙率是通过非溶剂诱导的相分离、与静电纺丝相关的动力学以及P(VDF-TRFE)聚合物的热力学性质来控制的。有趣的是，表面孔隙率的增加在功率输出和灵敏度方面明显优于无孔对应物。(153)
3.3. 太阳能收割机
利用光电效应从阳光中获取能量是产生清洁能源的另一种可持续方法。光电效应通过将太阳光或其他合适的光源照射到半导体器件上而发生，导致释放足够的自由电子以在外部电路中产生电流。这是太阳能收集（SEHG）的基本机制。(12)此类 SEHG 器件的特性可以通过其填充因子 (FF) 和功率转换效率 (PCE) 来描述。FF 可让您深入了解 SEHG 设备在最大功率消耗点的性能。此外，PCE 还提供了有关从太阳能输入转换而来的可用电量。(154,155)第三代光伏技术，即DSSC，(49,156,157)PSC,(10)和OSC，(15)在可穿戴电子应用中表现突出。对于 DSSC、OSC 和 PSC SEHG 器件结构部件的制造，静电纺丝具有许多优势。Blachowicz 和 Ehrmann 对静电纺纳米纤维由于高表面积和天然孔结构而可以增强的光学性能进行了全面的综述。(158)
图9

图 9. 静电纺丝改良的基于 PENG 的自供电传感器，用于检测人体运动和生理信号。(a) 基于高性能压电复合材料的 PENG 传感器：智能鞋垫集成示意图 (i) 以及步态监测识别 (ii)、姿势异常 (iii) 和跖骨痛并发症预后 (iv)。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (150)。版权所有 2022 作者。由 Springer Nature 出版 (b) 用于实时监测的传感-转换耦合压电纺织品：紧握 (i)、微笑 (ii)、皱眉 (iii) 和呼吸监测 (iv)。转载自参考文献 (151)经许可。版权所有 2023 英国皇家化学学会。(c) 基于静电纺丝 PVDF/ZnO 核壳纳米纤维的 PENG：原理图和肌肉行为监测 (i)、制造过程 (ii)、呼吸监测 (iii)、手腕脉搏监测 (iv)、扩展脉冲确定 3 个峰值（ v) 和开发的传感器系统示意图 (vi)。转载自参考文献 (152)经许可。版权所有 2020 爱思唯尔有限公司

在第三代光伏技术中，DSSC由于具有出色的灵活性、制造成本低、制造工艺简单以及开发设备的材料丰富，在可穿戴应用中获得了极大的关注。DSSC于1991年被报道，并于2015年在1.5全球条件下的标准空气质量下实现了14.3%的PCE，成本低廉，制造方法简单。(51)典型的 DSSC 由柔性电极（其中一个需要是透明的）、电解质和具有特定染料材料的光活性层组成(159)（图 10a）。尽管 DSSC 由于上述因素而受到欢迎，但也存在明显的缺点，由于机械稳定性差和复杂的密封工艺，在实际场景中功率转换效率较低。另一方面，静电纺丝为 DSSC 在柔性半透明电极开发、(49)高柔性、生物相容性、环保、高导电电极开发和半固态电解质层开发。(95,156)
图10

图 10.静电纺丝改性太阳能收集装置和 DSSC 示例。(a) DSSC 示意图改编自参考文献 (165)经许可。版权所有 2022 作者，获得 Springer-Verlag GmbH 德国（Springer Nature 旗下公司）的独家许可。(b) PSC 示意图。改编自参考文献 (10)经许可。版权所有 2020，英国皇家化学学会。(c) 基于 ZnO 和 TiO 2的 DSSC 器件的电流密度和电压图，经参考文献的 Creative Commons [CC BY] 许可重印 (163)。版权所有 2022 作者。由欣达维出版公司出版。(d) 所开发的光伏器件(i)、折叠(ii)和扭曲(iii)以形成MoS 2 /TiC/C纳米纤维膜的纱线图像的电流密度和电压图。转载自参考文献 (156)经许可。版权所有 2019 Elsevier Ltd. (e) 基于静电纺丝 PVDF-HFP 的 DSSC 的示意图 (i) 以及电流密度和电压图 (ii)。转载自参考文献 (166)经许可。版权所有 2020 爱思唯尔公司

此外，Tang于1985年成功开发了OSC。此后材料研究将此类器件的PCE从1%提高到14.4%。(15,160)通常，OSC 器件的厚度范围为 10–100 μm，使其适合可穿戴应用。(160)有趣的是，OSC 设备可以用可生物降解的可持续材料生产，具有轻质、透明、柔软和低成本等特性。(161)OSC器件的架构或多或少类似于DSSC器件，用有机聚合物活性层代替中间层。(160,161)尽管静电纺丝早期已被用于开发有机太阳能电池，但要找到该技术的最新进展仍然具有挑战性。(89,98)
在其他第三代技术中，PSC 是一种商业上可行的能量转换方法。此外，PSC 在平面上的 PCE 约为 25.7%，在纤维/纱线结构中的 PCE 为 15.7%。(10)典型的钙钛矿材料主要遵循或含有钙钛矿氧化物（CaTiO 3）的晶体结构，带隙为1.5-2.5 eV，吸收系数为10 5 ，载流子迁移率为800 cm 2 /（V s），载流子迁移率为10 10 cm 3（单晶） )/10 15 –10 17 cm 3（多晶）陷阱态密度。(162)传统的 PSC 具有 DSSC 架构，其中钙钛矿层夹在电子和空穴传输层及其附着的电极（一个透明）之间（图 10 b）。此外，固态介观、介观超结构、平面夹异质结和倒置平面结构是科学界在 PSC 相关研究中的突出架构。巴里隆达等人。对可用于可穿戴应用的纤维状钙钛矿器件进行了全面的综述。(10)由于钙钛矿材料的复合性质，可以使用一步静电纺丝工艺将其作为纱线嵌入服装中。(10,33)可穿戴 SEHG 在 DSSC 和 OSC 等技术中表现突出，在 PSC 设备中应用最为广泛。静电纺丝可用于开发可穿戴 SEHG 的光电阳极、CE 和电解质层，以实现更高的输出。评论的下一部分将介绍一些使用静电纺丝技术来增强功率输出同时保留可穿戴特性的示例。
3.3.1. 基于静电纺丝的 DSSC 装置
可穿戴 DSSC 设备必须足够灵活，才能在严格的弯曲和拉伸运动下保持功能。TiO 2因其生物相容性、环境友好性、成本效益和稳定性而成为常用的可穿戴光阳极半导体材料。然而，传统涂覆的TiO 2的低比表面积限制了载流子传输速率。与 TiO 2涂层相比，添加 ZnO 并采用先进的纳米加工技术可产生较高的 PCE 。张等人。与TiO 2相比，使用静电纺ZnO-TiO 2（1:2摩尔比）复合纳米纤维成功地将PCE提高了56%，最高提高了3.66%纳米纤维。SEM 分析和 BET 多点方法提供了静电纺丝工艺产生的具有大比表面积的超细纤维形态的证据。此外，静电纺丝过程产生的均匀分布的微小孔提高了电荷传输速率，从而提高了输出量。最终器件的VOC为 0.58 V，电流密度为 10.36 mA cm –2，FF 为 0.61（图 10 c）。(163)此外，Nien 等人。观察到Fe 2 O 3 /TiO 2和gC 3 N 4 /TiO 2双喷静电纺丝制备的异质纳米纤维复合材料的PCE提高了4.81%。利用双喷射静电纺丝方法生产异质纤维增强了散射效应，导致更高的光收集并最终增加光电子的数量。(164)
在 DSSC 开发中，铂或透明导电油墨已被用作 CE。然而，在可穿戴 DSSC 应用中，需要具有高度柔性、优异的催化活性和高透射率的 CE，以促进自然的身体运动并减少背光照明。周等人。通过静电纺丝技术开发了一种带有 Pt 的柔性 CE，并实现了 80-85% 的透射率，同时保持了 100-150 Ω sq –1的方块电阻。在该实验中，PVA被电纺作为牺牲层，Pt被磁控溅射到PVA层上，然后使用去离子水溶解PVA。有趣的是，所开发的 Pt 网络薄层电阻在 1000 次弯曲循环后并未显着增加，而 ITO/PET 的薄层电阻却增加了 6 倍。此外，用Pt纳米纤维开发的DSSC（方块电阻130.2 Ω sq –1和85%透射率）的VOC为0.68 V，电流密度为10.99 mA cm –1，PCE为3.82%，以及FF为0.53，200次弯曲循环后仍保留90%的输出。(49)
尽管透明导电油墨具有高导电性，但由于其脆性，将它们用于柔性基材仍具有挑战性。另一方面，铂是一种昂贵且稀缺的贵重材料，带来了与实际应用和可扩展性相关的其他问题。考虑到这些因素，宋等人。使用 TiC/C 电纺纳米纤维膜作为 DSSC 应用的 CE。光电流密度-电压测量（图 10d ）为 MoS 2修饰的 TiC/C 电极提供了最高的结果，而 Pt/ITO/PET 基底则显示出较低的输出。该器件的初始PCE为5.08%，经过100次循环后略有下降，表明该器件具有一定的机械稳定性。(156)在另一个例子中，吴等人。使用掺硼电纺 CNF 生产 DSSC 器件，PCE 为 7.51%。此外，所开发的CE层具有改善的润湿性、高催化活性和高电荷转移特性，使其适合用作超级电容器和DSSC自供电应用的共享电极。(167)这些实验表明，可以将不同的材料作为电纺纳米纤维集成到 DSSC 设备中的 CE，以实现更高的输出以及商业上可行的可扩展产品。
静电纺丝可以产生非常薄的具有不同功能的分离层。在 DSSC 应用中，必须在电极之间保持足够的距离，以防止电池短路。同时，设备架构必须具有较低的厚度，以促进可穿戴性能。阿尔巴布等人。使用PVDF-HFP静电纺丝样品作为电极之间的间隔织物。使用静电纺丝技术，层厚度保持在10μm，小心密封后将电解质注入静电纺丝层中（图10e（i））。开发的 DSSC 的 PCE 为 5.92%，FF 为 45.109%，VOC为0.696 V，电流密度为 18.838 mA cm –2。另外，如图 10所示e(ii)，该器件具有更大的灵活性和较低的厚度，使其适合可穿戴应用。(166)
由于严格弯曲运动下的泄漏问题，在可穿戴 DSSC 应用中使用液体电解质具有挑战性。一些研究人员使用固态或准固态电解质来解决这个问题。在开发准固态电解质时，在膜中保持大量液体电解质至关重要，以获得良好的离子电导率和优异的离子扩散，同时保持更好的界面接触。托马斯等人。使用邻苯二甲酰琼脂糖、聚(3-丁基-1-乙烯基碘化咪唑)、导电碳和PVA电纺膜生产用于DSSC应用的准固态电解质。电纺纳米纤维性质带来的更高表面积为 DSSC 的性能提供了足够的改进。透射电子显微镜图像显示电解质材料成功掺入 PVA 主体聚合物基质上。此外，由于具有超孔结构，离子电导率已记录为6.3×10–3 S 厘米–1。最终器件的电流密度为13.1 mA cm –2，VOC为0.79 V，PCE为6.05%，500小时后具有出色的稳定性。(168)
3.3.2. 基于静电纺丝的 OSC 和 PSC 器件
已经对本体异质结有机光伏器件的一步静电纺丝进行了研究，目标是灵活的应用。贝德福德等人。使用 PCL 作为牺牲护套材料，使用同轴静电纺丝工艺生产基于 P3HT:PCBM 的 OSC 器件。静电纺丝护套层溶解后，将 P3HT:PCBM 层沉积在 PEDOT:PSS 电极上以开发最终装置。有明确的迹象表明，使用静电纺丝技术生产纳米纤维（PCE 为 4.0%，FF 为 63%，电流密度为 10.7 mA cm –2，VOC为 0.59 V）与基于薄膜的纳米纤维相比，性能有所提高（ PCE 为 3.2%，FF 为 54%，电流密度为 10 mA cm –2和V OC0.59 V）系统。此外，使用同轴静电纺丝技术可以实现光伏材料的均匀相分离并避免共混聚合物的问题。(98)最近，塞拉诺-加西亚等人。使用同轴静电纺丝以 P3HT 为核心和聚（苯并咪唑并苯并菲咯啉）（BBL）（BBL）为鞘产生 ap-n 连接（图 11a）。由于静电纺丝的纳米加工性质，所开发的纱线直径可以保持在 280 nm 至 2.8 μm 之间。这些实验为生产用于未来可穿戴应用的纳米级到微米级太阳能电池提供了途径。(89)
图11

图 11. 使用 OSC 和 PSC 装置示例进行静电纺丝改性表面。(a) 同轴静电纺丝技术生产太阳能电池的 ap-n 结。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (89)。版权所有 2022 作者。由 MDPI 出版。(b) 采用静电纺丝工艺制成的柔性太阳能纱线：制造示意图 (ii) 和最终设计架构 (ii)。转载自参考文献 (99)。版权所有 2020 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. (c) 用于 SEHG 针织面料制造的无铅钙钛矿纱线开发：所开发的纱线示意图 (i) 以及基于太阳能纱线的针织面料的 PCE 和功率密度 (ii)。转载自参考文献 (169)。版权所有 2020 Elsevier BV。(d) 基于三轴纳米纤维的钙钛矿太阳能电池示意图。转载自参考文献 (33)。版权所有 2021 作者。先进工程材料由 Wiley-VCH GmbH 出版。

可穿戴 SEHG 设备电极最好是柔性且透明的。考虑到这些因素，曹等人。通过静电纺丝磷/PI/PU@银复合材料开发了纳米纤维网电极。最终器件的方块电阻为 22.1 Ω sq –1，紫外线透射率超过 80%，为可穿戴 SEHG 器件电极提供合适的特性。此外，开发的电极以及 ZnO、CH 3 NH 3 PbI 3和 2,2',7,7'-tetrakis( N , N -di- p-甲氧基苯胺)-9,9'-螺二芴被用来制造 PSC 器件，PCE 为 3.47%。此外，所开发的PSC具有良好的弯曲稳定性，电极可以拉伸至100%，保持30.5 Ω sq –1的方块电阻和83.5%的透射率。经过 500 次循环拉伸达 50% 后，薄层电阻增加了 75%。(100)
近年来，与可穿戴 SEHG 相关的备受关注的研究领域之一是纤维/纱线的开发，以及随后将其转化为具有平衡的可穿戴和电气性能的织物。由于钙钛矿材料的固体性质，将这些材料制造成纱线比 DSSC 系统容易得多。李等人。通过静电纺丝钙钛矿材料开发了一种具有平均重量（0.89 mg cm –1 ）和高活性寿命（>216 h）的高度柔性PSC（图11 b（i））。为了创建阳极部件，制备了静电纺丝溶液，添加了 CH 3 NH 3 I 和 PbI 2（光吸收钙钛矿层）进入PVP（在无水DMF中），并在旋转的P3HT（有机空穴导电层）涂层银纱线上进行静电纺丝（图11b（ii））。通过控制相对湿度（75%）、后加热过程和施加电压（18 kV）来控制钙钛矿材料的晶粒尺寸。通过用磁力搅拌的PCBM和电纺SnO 2 （电子导电层）纳米纤维浸涂碳纤维纱来制备阴极。阳极和阴极纱线分别制备并捻合在一起以形成最终装置。优化后的加捻纱线（厚度为10.5 μm）可产生11.94 mA cm –3的电流密度，VOC1.92 V、FF 为 54.2%、PCE 为 15.7%，在 750 次弯曲循环后仍保持不变。此外，使用这些纱线制备的织物可以产生1.26 mW m –2的功率密度。结果表明，利用静电纺丝技术，钙钛矿材料可以均匀分布、直接包裹并紧密组装在目标基底上，从而产生更高的弯曲和功能性能。(99)
在另一项研究中，Balilonda 等人。等人通过静电纺丝CH 3 NH 3 I混合PVP掺杂[6,6]-苯基C61丁酸甲酯（PC 61 BM）开发了无铅钙钛矿纱线。本研究针对基于针织结构织物的可穿戴 SEHG 应用（图 11 c (i)）。P3HT 涂层碳纱被静电纺丝溶液覆盖，实验参数选择为相对湿度 (75%) 和电压 (18 kV)，以生产最终装置的阳极。所开发的纱线可以吸收300-550 nm波长范围内1.65 eV光学带隙的90%以上，通过掺杂0.17% PC 61确保PCE为7.49 %BM 到电纺层。有趣的是，纱线结构在 1000 次弯曲运动后仍能保持初始 PCE 的 98%。此外，纱线可以转化为尺寸为45 mm × 35 mm的针织物，并且在1000 W m –2太阳光照下可以产生1.21 mW cm –2的最大功率输出（图11 c（ii））。(169)
一步静电纺丝工艺的进步可用于在同心轴向电缆中制造光吸收剂、空穴和电子传输材料。玻尔等人。已经创建了此类设备来制造微型太阳能电池，这些太阳能电池可以转换成适合可穿戴应用的织物（图 11d）。作为原型开发，他们使用同轴和三轴静电纺丝工艺分别制造了 CuSCN/MAPbI 3和 CuSCN/MAPbI 3 /ZnO-Zn(OAc) 2基础系统。在三轴方法中，CuSCN（空穴传输材料）用作核心，而MAPbI 3（光吸收钙钛矿）用作中间层，ZnO（电子传输层）用作壳。未来需要进行进一步的实验来开发具有静电纺丝功能的全功能太阳能电池。(33)
3.4. 基于静电纺丝的热电 (TEG) 和湿气 (MEG) 能量发生器
将人体核心温度维持在 37 °C 以及根据活动水平从人体散发 60-180 W 热量的自然现象导致使用热电能量收集概念为可穿戴电子应用供电。Thomas Seebeck 在 1821 年发现了塞贝克效应，随后 Jean Peltier 在 1834 年发现了珀尔帖效应，以及 Gustav Magnus 在 1851 年发现了塞贝克电压，这些都是导致 TEG 概念发展的基础。(14,170,171)当两种由具有不同电性能的半导体或导体制成的材料直接或通过导电路径连接时，由于电荷载流子在温度梯度（从高温到高温）存在下的扩散，可以产生称为塞贝克电压的电压。端至低温端）。

其中，S是塞贝克系数，σ 是电导率（取决于载流子电荷、迁移率和浓度），k和T分别是热导率（晶格热导率和电子热导率的组合）和绝对温度。(172)流行的热电材料（例如与金属合金结合的碲化铋）通常是刚性的、昂贵的且非生物相容性的。(14,173)诺扎里亚斯·马兹等人。对可穿戴热电能量收集器进行了全面审查，提供了纳米结构 (Bi x Sb 1– x ) 2 Te 3和 Bi 2 Te 3– x Se x最适合可穿戴 TEG 应用的证据。该评论还强调了使用涂层或印刷技术开发柔性 TEG 的可能性，该技术具有用于可穿戴应用的柔性或刚性互连。(14)然而，由于这种 TEG 装置的长期效率会因磨损而降低，Ewaldz 等人。表明静电纺丝是更好的选择。除了灵活性和可拉伸性之外，通过静电纺丝技术生产的材料还具有天然的高表面积和孔隙率，从而显着降低热导率并最终获得更高的zT值。(173)
TEG 设备通常依靠 p 型和 n 型材料系统在实际应用中产生高功率。然而，与其他材料相比，CNT 因其转换载流子类型的能力而脱颖而出。虽然碳纳米管传统上是通过浮动气相催化技术制备的，但这种方法具有高导热性，对于 TEG 设备来说并不理想。已经使用了替代的湿纺技术，但它需要与额外的绝缘聚合物集成作为增强材料，这会降低 TEG 的性能。(174)为了应对这些挑战，Jin 等人。利用静电喷涂技术开发了高性能基于 CNT 的 TEG（T 为 33.4 K 时为 26.2 nW）。(175)他等人。利用凝固浴静电纺丝方法生产出既可拉伸又具有交互性的 TEG，将可穿戴 TEG 提升到了一个新的水平。静电纺丝前驱体是聚乙烯亚胺和 PU 的混合物，掺杂有 PEDOT:PSS 并装入注射器中。将流速、施加电压和 TCD 分别调整为 0.5–1 mL/h、8–12 kV 和 3–5 cm，并将所得纤维收集在 CNT/PEDOT PSS 浴中。凝固浴中的最佳 CNT:(PEDOT:PSS) 比例为 4:6，可实现优异的导电性和 44 μV K –1的塞贝克系数。凝固浴静电纺丝技术使碳纳米管能够自组装，均匀分布在纳米纤维网络上，电导率和功率因数提高了10倍。此外，这种纱线具有高度柔韧性和可拉伸性，应变率为 350%，因此可以使用简单的缝纫技术轻松融入传统服装中，用于能量收集应用。(176)
可穿戴能量收集技术一直在快速发展，MEG 是显示出巨大潜力的概念之一。静电纺丝已被用作优化这些设备的制造技术，使它们更加高效和有效。具有活性且含有氧官能团（例如羟基（-OH）、羧基（-COOH）和磺酸（-SO 3 H））的材料能够在受到环境刺激时捕获水分分子。一旦这些官能团被水分电离，由于其不对称结构，它们可以释放自由质子。质子从高浓度区域流向低浓度区域会产生电流，这是 MEG 设备的基础。(177,178)为了增强MEG器件的性能，有必要通过纳米/微米加工或化学修饰等技术来改善吸湿材料的内部梯度结构。(179)张等人。发现 MEG 装置的输出与其结构特性密切相关，包括亲水性、孔隙率和比表面积。为了解决这些问题，作者创建了一种经济高效的可穿戴 MEG 设备，该设备使用与 CA 电纺纳米纤维混合的四丁基溴化铵 (TBAB)。将 TBAB 静电纺丝到醋酸纤维素中，可形成具有优异亲水性能的膜（原始静电纺丝 CA — 接触角 132°，添加 2% TBAB 后，接触角降至 26°），从而实现水分子传输和离子迁移。表面积增加，导致更好的吸湿性和更高的产量。通过改变纳米纤维直径和增加缠绕结构来减小孔径，可以进一步提高输出。通过控制这些参数，–2在 90% 相对湿度下。(180)
在迄今为止的文献中，碳基材料（如炭黑、碳纳米管和还原氧化石墨烯）由于其高导电性、易于制备和广泛使用而通常用作 MEG 器件的电极。(181)然而，这些材料的低柔韧性和可拉伸性给它们在可穿戴应用中的使用带来了挑战。为了解决这个问题，Faramarzi 等人。利用静电纺丝聚砜和 PU 材料开发了一种可拉伸且柔性的 MEG。将这些聚合物以 2:8 的比例组合，形成具有优异拉伸性的混合聚合物基质，为逐层涂覆 MWCNT 以创建最终器件提供有效的基材。通过控制孔隙结构和纤维垫厚度，可以调节水的毛细管流动，从而使 MEG 装置获得更高的输出。最终器件尺寸为 1 cm × 2 cm，能够产生419 mV 的VOC和I SC1.5 μA，可承受高达 60% 的拉伸，而不会出现输出下降。(182)
3.5. 静电纺丝可穿戴储能装置
为了克服能量收集技术瞬时产生能量的问题，需要开发可确保持续供电的可穿戴能量存储解决方案。在机械能量收集技术中，功率/信号输出是瞬时且不规则的，基于外部机械刺激的幅度、频率和力。(114,183)SEHG 设备需要太阳或光源辐射才能持续发电。能量存储设备需要与能量收集系统相结合。超级电容器和可充电柔性锂离子、钠离子和锂硫电池是可穿戴电子设备电力存储的重要方法。(15)超级电容器具有优异的循环寿命、快速充电/放电速率和高功率密度，在可穿戴储能设备中发挥着关键作用。(184)HI Becker 于 1957 年发现这一发现后，最近的研究已经实现了 100–150 Wh kg –1能量密度、10 kW kg –1功率密度、90–95% 的能源效率以及卓越的循环稳定性 (>30000)，而无需化学反应来储存能量。(101,185)
超级电容器目前分为三种主要技术：双电层电容器（EDLC）、赝电容器以及这两种方法的混合。典型的 EDLC 架构由夹在内部电解质涂层碳电极（活性炭、CNT 和石墨烯）之间的薄层隔膜组成。(184,186)）（图12a）。在这些装置中，分离器必须既充当绝缘体又充当电解质离子传输的导管。(187)EDLC的能量存储机制是在电极之间施加电势差时发生的，在电极/电解质界面处产生双层静电充电，而不发生法拉第反应。(66)与EDLC相比，赝电容器使用诸如MnO 2、V 2 O 5和RuO 2的金属氧化物或诸如PANI、PP和PEDOT的导电聚合物。(186,188)使用这些材料，赝电容器中的电极和电解质界面会发生快速的法拉第反应（充电、利用电解质吸附阳离子进行电极还原；放电、逆过程），从而导致比 EDLC 更高的能量密度和循环寿命的缩短。(186)
图12

图 12. 可穿戴能量存储设备的示意图。(a) 超级电容器示意图和 (b) 锂离子电池示意图。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可许可改编 (186)。版权所有 2022 作者。《先进科学》由 Wiley-VCH GmbH 出版。

此外，由于可扩展性、机械鲁棒性和电化学可持续性，柔性锂离子电池在可穿戴应用的存储设备中表现突出。(65,101)1991年，索尼和化成开发了商用锂离子电池。锂离子电池的架构包含锂基阴极，例如钛酸锂 (LTO)/磷酸铁锂或 LTO/锰酸锂。阳极通常包含碳质材料和电解质（图 12b）。除传统材料外，PEDOT:PSS、聚多巴胺、PP 和碳纳米填料增强纤维素、PLA、PVDF 和 PVA 在锂离子和超级电容器应用中也很引人注目。(101)然而，超级电容器和锂离子电池的性能明显取决于电极材料的孔隙率和表面性质。(184)有趣的是，这些材料大多数都是可静电纺丝的聚合物，并提供每个设备所需的高表面积、孔隙率和灵活性。
Ariyamparambil 和 Kandasubramanian 解释说，静电纺丝可以提高金属氧化物聚合物的孔隙率和比表面积，旨在用于超级电容器应用的柔性电极。(189)此外，Prasannakumar 等人。对使用静电纺丝调节超级电容器应用导电聚合物的重要性进行了全面的回顾。(52)事实证明，由于静电纺丝技术而具有多孔结构会影响诸如电容增强等因素，并提供导电层和电解质之间的高接触。这还可以插入电解质材料，从而提高电化学性能，增加质量负载并生产用于超级电容器应用的无粘合剂柔性电极。共轭聚合物，即导电聚合物，如 PANI、PP 和 PEDOT，可广泛静电纺丝，可用作超级电容器和电池的导电层。(52)
无粘合剂电极可以为超级电容器应用产生更高的面积电容。这具有增加可穿戴应用所需的灵活性和透气性的额外优势。在CNF网络中添加Ti 3 C 2 T x MXene可以增强电化学活性，从而提高超级电容器电极的性能。莱维特等人。成功地静电纺丝 Ti 3 C 2 T x MXene 和 PAN（MXene 到 PAN 2:1）来生产此类电极（图 13a）。随后，静电纺纳米纤维被碳化以产生 CNF，在 50 mV s –1下产生 205 mF cm –2的空气电容。与纯 CNF 相比，作者报道电容提高了近 3 倍。(190)在另一个例子中，罗等人。利用高功率超声波空化作用，将长单壁 CNT 嵌入到电纺 PU 纳米纤维垫中（图 13 b）。开发的电极薄而柔韧，厚度为 50-200 μm，可恢复拉伸高达 200%，稳定性高达 20000 次弯曲循环。透气性良好，透气度为22.83 mm s –1（压差100 Pa时），水蒸气透过率为0.008 g cm 2 h –1。报告的电气特性包括 30–50 Ω sq –1的薄层电阻，并且该装置具有相当大的耐洗性。此外，通过在该电极上沉积聚苯胺（PANI）开发了超级电容器。这导致电流密度为 1 A g –1时的比电容为 543 F g –1，并且在 20%、200 个拉伸循环后保留了 83%。经证明，充满电的可穿戴超级电容器可以点亮商用红色 LED (1.5 V) 30 秒。(191)
图13

图 13. 静电纺丝改良的可穿戴储能设备。(a) 使用静电纺丝生产 Ti 3 C 2 T x MXene/PAN 纳米纤维的示意图。转载自参考文献 (190)经许可。版权所有 2019 英国皇家化学学会。(b) 使用静电纺丝和超声空化工艺制造可拉伸 PU/CNT 电极的示意图。转载自参考文献 (191)经许可。版权所有 2022 Elsevier BV。(c)基于V 2 O 3静电纺丝电极的锂离子电池性能：不同变形下的定性性能(i)和高达500次循环的循环性能(ii)。转载自参考文献 (192)经许可。版权所有 2020 Wiley-VCH GmbH。(d) 负载 ZIF-67 的 Mn-PAN-2MI 基超级电容器的静电纺丝和后处理示意图：静电纺丝前驱体 (i)、工艺示意图 (ii)、静电纺丝样品上的 ZIF-67 湿法浸渍工艺 (iii) ）、C/Co-CoO x纳米管的转化过程（iv），以及修饰样品的稳定和碳化（上）和 SEM（下）（v）。转载自参考文献 (193)经许可。版权所有 2023 Elsevier BV。

锂离子电池中使用的传统电极由于柔韧性和拉伸性低，在多次弯曲循环后往往会从集流体上断裂或剥落，导致高质量负载期间容量快速衰减。张等人。使用静电纺丝技术制造了具有多通道 CNF 的独立式 V 2 O 3，以生产用于可穿戴锂离子电池应用的阳极电极（图 13 c）。由于其无粘合剂的性质，这些电极固有地具有高能量密度和低重量。Brunauer-Emmett-Teller方法证实电极具有455.136 m 2 g –1的大表面积。值得注意的是，该电极的比容量为 487.7 mAh g–1，5 A g –1，即使经过 5000 次循环（0.00323% 衰减率）。使用所开发的电极制造的最终装置在不同变形下具有最小的输出变化。经过 500 次循环后，它在 1 A g –1下保留了 348.3 mAh g –1的比容量（图 13 c (ii)）。(192)
静电纺丝是一种通用方法，可改善超级电容器应用中液体电解质之间的连接。这对于确保可穿戴应用中的可靠连接非常重要，特别是当纺织品在穿戴过程中发生移动时。最近，莫尔等人。使用静电纺丝法生产含有 PAN-2-甲基咪唑 (PAN-2MI) 的纳米纤维，并优化锰浓度以获得适合此类应用的高电导率。之后，使用湿法浸渍将沸石咪唑酯框架（ZIF）-67与PVP一起加载到纳米纤维网络中，以实现高能量存储和更好的电化学稳定性（图13d（i-iii））。开发的样品已碳化以生产适合该应用的C/Co-CoO x纳米管（图 13 d (iv,v))。最终器件采用 KOH 作为电解质，Celgard 3501 作为隔膜制成，电容可达 1263 mF cm –2。此外，该器件可提供 2.8 mW cm –2的功率密度和 0.32 mWh cm –2的能量密度，电位窗口为 0–1.4 V。最终证明，该系统能够为三个商用 LED 供电23分钟(193)
3.6. 静电纺丝通信设备：可穿戴天线
天线是可穿戴无线电子产品连接的关键支持技术。它能够传输和接收电磁波，促进可穿戴设备与其他设备或网络之间的无线通信。天线性能和设计直接影响可穿戴设备无线连接的可靠性、范围、数据传输速率和整体功能。
人体可以作为天线的工作环境。除了其有损性质之外，它还具有极高的动态性，需要特定的物理要求，而其他应用可能需要也可能不需要这些要求。可穿戴天线需要重量轻且尺寸紧凑，以便适合可穿戴电子产品中通常可用的有限空间。当尺寸不受限制时，天线必须是保形的、柔性的或可拉伸的，以便能够适应人体的不规则轮廓和运动。还需要通过使其光学透明或易于融入日常服装来使其在视觉上不引人注目。所有这些功能对于为长期使用的佩戴者提供更加身临其境和舒适的体验至关重要。当天线与人体直接接触时，确保天线的渗透性和生物相容性也很重要，以确保长时间皮肤接触的安全性，即最大限度地减少皮肤刺激、过敏和其他不良影响的风险。在考虑上述物理特性的同时，天线设计者必须努力实现最佳且一致的天线性能，无论人体接近和移动如何，特别是在天线效率和输入阻抗匹配方面。这对于确保可靠和高质量的无线连接同时最大限度地降低功耗是必要的。以及其他不良影响。在考虑上述物理特性的同时，天线设计者必须努力实现最佳且一致的天线性能，无论人体接近和移动如何，特别是在天线效率和输入阻抗匹配方面。这对于确保可靠和高质量的无线连接同时最大限度地降低功耗是必要的。以及其他不良影响。在考虑上述物理特性的同时，天线设计者必须努力实现最佳且一致的天线性能，无论人体接近和移动如何，特别是在天线效率和输入阻抗匹配方面。这对于确保可靠和高质量的无线连接同时最大限度地降低功耗是必要的。
为了实现传统印刷电路板（PCB）天线可能无法满足的上述品质，人们在非常规材料和制造技术的使用上付出了巨大的努力。(194,195)静电纺丝开始成为制造柔性可穿戴天线的有前途的方法之一。静电纺丝能够生产本质上柔性和多孔的纳米纤维，并且具有高表面积与体积比，使其适合实现柔性、轻质和透气的天线。重要的是，静电纺丝有助于在各种基材材料上使用不同的材料成分，并精确控制所产生的纳米纤维的尺寸和排列。这允许采用静电纺丝来制造天线的各个部件（即导电和/或非导电部件），在定制其最终的电气和机械性能方面具有一定程度的灵活性。
Park 等人利用静电纺丝技术。(196)创建可拉伸的透明环形天线，用于为用于血糖监测的智能隐形眼镜无线供电（图 14a）。在目标基底上，将银纳米颗粒墨水在乙二醇中的悬浮液进行静电纺丝，形成超长银纳米纤维。在 150 °C 退火 30 分钟后，所生产的银纳米纤维（最大厚度为 2 μm，平均直径为 338 + 35 nm）通过光刻和湿法蚀刻。根据静电纺丝参数，构建的银纳米纤维可以表现出 1.3 Ω sq –1范围内的薄层电阻和透明度，其中 90% 透明度可达 0.3 Ω sq –1透明度为 72%。此外，纳米纤维还表现出在拉伸应变下高达 30% 的卓越拉伸性。在距发射线圈 5 mm 处，集成整流天线在 50 MHz 下实现了 21.5% 的电力传输效率。
图14

图 14. 可穿戴静电纺丝天线应用。(a) 使用静电纺丝天线、混合基板、功能器件和可拉伸透明结构的用于血糖监测的智能隐形眼镜示意图。转载自参考文献 (196)经许可。版权所有 2018 作者，保留部分权利；独家被许可人美国科学促进会 (AAAS)。根据 CC BY-NC 4.0 许可证分发http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/。经美国科学促进会 (AAAS) 许可转载。(b) 描绘了表皮射频天线开发启发的自然结构：开发流程图 (i)、开发样品的 SEM 图像 (ii) 和制造后的实际图像 (iii)。经参考文献的知识共享 [CC BY] 许可转载 (18)。版权所有 2020 作者。由施普林格自然出版社出版。

在另一项研究中，(18)张等人。展示了用于电力传输和信息识别的高度可拉伸和透明的天线。PVA 纳米纤维是通过静电纺丝制造的，然后通过磁控溅射涂上一层薄薄的银。然后应用光刻和湿法蚀刻将纳米纤维形成目标形状。深入研究了不同制造参数（例如 Ag NF 密度、静电纺丝持续时间和 NF 方向）对所开发线圈的电性能（即电感、薄层电阻和品质因数）的影响（图 14 ）b). 随后研究了匝数和重复应变对上述电气特性以及最终电力传输效率的影响。作者展示了五匝线圈，在 10 MHz 频率、100% 的严重拉伸应变和 2 厘米的传输距离下，效率水平为 15%（从 35% 下降）。由于高张力下纳米纤维的断裂/裂纹导致寄生电容增加和电导率降低被认为是效率下降的原因。此外，作者成功演示了许多复杂的功能无线电子设备，采用近场通信和频率调制技术进行内容识别和长距离传输（> 1 m）。
值得注意的是，虽然静电纺丝为可穿戴天线设计提供了多种优势，但它也带来了上述示例所暗示的一些挑战。通过静电纺丝工艺开发天线通常不像喷墨或丝网印刷等增材制造技术那么简单。通常，需要进一步的处理阶段，例如将纳米纤维图案化为所需的形状并将它们组装成天线。此外，纳米纤维的随机性可能会引起对其再现性的担忧。
4. 与可穿戴电子产品的可能集成方法和需要考虑的因素
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传统的基于塑料基板的可穿戴电子设备刚性大且体积大，导致长时间佩戴不舒服。通常，开发仅集中于改进发电、存储和通信方面，而不是机械和美学性能。考虑到所有这些因素，静电纺丝与传统纺织工程概念的结合可以满足性能优化和改善可穿戴特性的要求。(1,66)基于静电纺丝的自供电通信系统可以通过几种不同的方式嵌入到服装中。(36)审查的这一部分将提供最有效的方法，可用于将这些设备合并到服装中，同时对穿着者的影响最小。
从纺织工程的角度来看，根据生产阶段，这些设备可以分为两大类：基于纤维/纱线的系统（使用机织、针织、编织、缝纫或刺绣技术转化为织物）和基于织物的系统，由静电纺丝层生产。在纺织工程中，纤维被认为是基本构件，所有机械和美学改进都从这个阶段开始。将纤维转化为纱线可以通过纺纱然后加捻或合股的过程来实现。传统上，环锭纺纱被用作主要纺纱技术，最近喷气纺纱、转杯纺纱、包绕纺纱和摩擦纺纱已变得流行，提供了额外的功能，如延伸性、均匀性、强度和舒适性。(197)
自供电可穿戴无线通信系统主要使用已加捻的商用纱线作为芯，并使用静电纺丝技术添加功能性聚合物护套。(1,36,51,169,198)例如，戴等人。通过将 P(VDF-TRFE) 静电纺丝到铜线上创建了压电纱线。然后将该纱线用作机织物中的纬纱和经纱，最终产品与棉、聚酯和羊毛织物相比表现出优异的透气性（1041.4 毫米/秒）。该器件还表现出更高的 β 相，在 15 N 力下实现2.7 V 的 VOC 和38 nA的I SC。此外，这种静电纺鞘基纱线具有出色的悬垂性和足够的拉伸性能，使其非常适合实际使用。(199)
相比之下，最近的一些发展重点是使用静电纺丝直接生产针对可穿戴电子应用的纱线。(200,201)南等人。通过双共轭静电纺丝技术开发出高拉伸性和导电性的纳米纤维纱线。通过将氧化石墨烯掺杂的 PAN 电纺纤维翻转并逐渐变细，形成漏斗上的中空纳米纤维网，然后将它们加捻，形成纱线。为了提高导电率，采用原位聚合技术在纱线上涂覆 PP ，使导电率从 94.37 S cm –1增加到10.5 S cm –1。静电纺丝技术不仅通过增加（计量系数为 4.08）接触点和累积接触面积来提高压力灵敏度，而且还允许纱线检测 0.1% 至 100% 的应变，并且可重复多达 10,000 次循环，同时将损坏程度降至最低。(200)
针对特定的后织物制造技术，必须保持足够的捻度或合股、纱线厚度、纱线强度（断裂载荷占单位长度的一部分）、拉伸性和长度。在机织和针织中，生产织物总是需要一个最小长度。其中一些参数已在我们之前的出版物中强调过。(1)例如，Zhi 等人。强调每米捻度 (TPM) (=
twistingspeed(twistperminute)translationspeed(mmpersecond))
对织物制造的几何形状以及特定材料的 β 相形成有影响，以在能量收集和自供电传感应用中产生更高的输出。(36,202)
编织是通过将两组纱线（称为经纱和纬纱）以直角交织来制造织物的过程。平纹、斜纹、缎纹和缎纹是纺织工程中重要的编织结构。传统上，喷气机、喷水机、剑杆机和弹射机采用单相或多相技术生产此类结构。最近，3D 编织技术因生产具有不同功能的机械稳定性高的织物而受到关注。(203)当需要交织两种类型的功能纱线以生产可穿戴电子应用的最终设备时，由于易于制造和成本效益，编织可以作为一种重要的技术。(1,48,165,204)此外，可以使用平纹和斜纹等编织结构来控制交织点和卷曲。根据应用，可以使用缎纹和缎纹结构来增加或减少活性表面积。(1,202)除非纱线涂有安全材料，否则根据静电纺鞘纱的分层性质，使用其作为纬纱而不是经纱（在编织过程中，经纱会经历高张力和摩擦，这可能会损坏静电纺涂层） ），同时建议制造机织物。
相比之下，针织技术使用单纱交织来生产经编或纬编针织物。从结构上看，纬编针织物在一个方向上具有高度的延伸性，而经编针织物则在两个方向上大多是平衡的。(205)与梭织面料相比，针织面料可以模仿人体形状，更适合制造智能服装。具体来说，机械自供电传感器可以使用先进的静电纺丝改性纱线的针织技术紧密嵌入目标区域。此外，罗纹针织结构具有更高的拉伸性，使其适合能量收集应用。(206)此外，利用嵌花和无缝针织等技术，这些装置可以定位在结构中，对织物的耐磨性和美观性能影响最小。(207,208)由于圆机和平板机较高规格（针织机中每英寸的针数）中的高摩擦力，可能导致没有粘合剂的直接静电纺纱线分层。手工编织或低针距横机编织(1)技术更适合静电纺丝纱线设备。此外，通过静电纺丝生产完整的纱线来克服静电纺纱的分层性质（使用合适的粘合剂）将导致高速无缝针织，以生产这些类型的智能服装。
与针织和机织相反，缝纫和刺绣技术可以基于能量收集、存储或通信的应用，精细地定位由静电纺丝工艺制成的完整功能纱线。此外，刺绣技术较高的设计能力使其更适合生产可穿戴通讯设备。(17)与机织和针织相比，这些技术对纱线的韧性要求很高，在制造过程中要承受严格的运动。此外，如果护套仅通过静电纺丝生产，则在穿过针头时可能会具有挑战性。如果纱线展开后存在捻度，那么捻向（单针和双针锁式线迹的Z方向）是缝制的重要参数，以防止在制备功能装置时出现扭结和扭结。(209)
根据应用，电纺层可用作功能层或无源层（用于特定功能材料制造的基材）。由于易于制造、易于表征和较少的后处理过程等因素，使用传统的板式、滚筒式或传送带式静电纺丝装置可以为基于织物的系统提供层制备技术。孙等人。已经证明 MEG 可以使用聚合物材料来制造，包括 PVA、乙基纤维素、丝素蛋白和聚环氧乙烷。与相同材料的反流延薄膜相比，他们的基于静电纺丝织物的系统产生了优异的结果，聚环氧乙烷达到了 0.83 V。通过调整织物的厚度、孔径和表面积，(210)前面部分中讨论的所有这些示例都使用材料选择或制造后化学处理来优化结果。具体来说，在 TENG、PENG 和 SEHG 开发中，优化厚度参数以提高灵敏度或功率输出至关重要。此外，表面制造技术（将两种功能材料制造到同一静电纺丝样品的正面和背面）使它们适合一步开发电极和功能材料。基于静电纺层的系统大多需要符合传统的机织或针织织物基材，以保持所需的智能功能。(202)
从应用角度来看，机械性能对于静电纺纱或膜至关重要。在这篇综述中，我们介绍了使用改变静电纺丝层的方向、改变层的厚度、改变材料加工参数和改变纤维直径等技术优化机械性能的实例。拉希德等人。彻底研究了静电纺材料的机械性能和应用之间的关系。(54)为了根据最终应用的要求改进这些性能，可以使用各种技术，例如添加无机或有机填料。例如，可以将MWCNT添加到聚( l-乳酸)中，(211)或缠绕纳米纤维基质可以由聚合物共混物创建，例如将TBAB添加到CA中并创建具有TBAB分支的树状结构。(180)聚合物结构也可以进行改性，例如电纺PAN过氧化和共聚。(212)韩等人。还证明，退火、拉伸、加捻、溶剂蒸汽处理、后复合和交联等后处理可以增强电纺膜的机械性能。(213)
5. 测试和验证技术
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必须彻底研究基于静电纺丝的自供电无线通信系统的规模化和商业化。根据技术就绪级别 (TRL)，大多数设备处于 3 级（已完成应用研究和/或实验室测试）或 4 级（在实验室环境中准备好小型原型）。(214)因此，大多数原型开发必须通过接受这些设备作为商业上可行的产品所需的标准测试程序进行改进。在纺织品测试方面，ASTM（美国测试与材料协会）、BSI（英国标准协会）、ISO（国际标准化组织）和AATCC（美国纺织化学家和染色师协会）等主要机构负责制定标准程序。(1)此外，国际电工委员会（IEC）和印刷电路协会（IPC）提供了一些与可穿戴电子纺织品相关的附加标准。(215)遵循这些标准来验证安全性、结构、舒适性、耐用性和美观性等特性将为 TRL 的未来发展提供更多机会。
Shak Sadi 和 Kumpikaite 对耐久性测试（即与可穿戴应用相关的稳定性和可洗性）的标准测试程序进行了全面审查。有趣的是，有积极的证据表明使用一些测试程序来测量基于静电纺丝的可穿戴传感器的可洗性和稳定性能。(215−218)在大多数情况下，稳定性测试是基于几个循环的重复性能进行的，而可洗性测试是通过搅拌/超声波在容器/烧杯中进行的。因此，建议遵循 AATCC 61-2006、ISO 6330 A7 或 AATCC 135 等标准程序来测试功能设备的耐洗性，以确保最终用户的可靠性。此外，AATCC TM 210（暴露于某些条件之前和之后的电阻评估）、IEC 63203-406-1（测量表面温度，特别是腕戴式可穿戴传感器）、IPC 8921 A（基于导电纱线的可穿戴电子产品规范机织针织物和编织物）和 IPC 8981（质量和可靠性相关评估）是最近开发的可穿戴传感器测试标准之一。(215)
湿度和温度条件可能会对某些静电纺丝设备的性能产生不利影响。(219)静电纺丝基底上的表面涂层或纳米材料制造可以有利地提高此类设备在可变环境条件下使用的性能。(215)此外，传统测试如拉伸强度（ISO 13934-1:2013、AS 4878.6-2001）、透气性（ISO 9237:1995）、伸长率性能（ISO 13934-1:2013、ASTM D 5035-11(2019) ）、可燃性（BS 5438、ISO 6941:2003）和热舒适性（ASTM D7140/D7140M-22）可用于衡量功能性织物的性能。(1)这些传感器或模块中使用的一些材料已被限制或仅限于可穿戴应用。Patra 和 Pariti 对与织物和可穿戴应用相关的限制和限制物质进行的审查为研究人员为可能的可扩展应用选​​择更广泛的材料提供了完整的见解(220)（见补充说明2）。例如，静电纺丝溶剂（如 DMF、DMM 和某些酸）必须完全蒸发，并确保用于可穿戴应用的设备不含这些物质。
六、总结与展望
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对可穿戴设备的需求不断增加——智能服装具有直接与身体及其环境连接的优势，并且在许多应用中可以提高生活质量、公民健康、工人安全和用户体验。为了使这种智能服装可持续发展，需要将能量自主传感集成到纺织品结构中，并且此类系统的开发必须确保保持纺织品的可穿戴特性，包括舒适性、灵活性和透气性。虽然材料科学、柔性电子和先进制造的进步提高了可穿戴技术的采用率，纺织品集成的挑战需要结合纺织工程观点和评估合适的纺织品制造技术，这些技术可以修改以创建具有自主能量收集能力的智能纺织品。静电纺丝是一项在实现这些目标方面显示出巨大前景的技术，该技术已被广泛研究了 70 多年。(221)这种方法提供了一种复杂的方法来制造柔软且有弹性的可持续材料，即使在结合碳纳米管等材料时也是如此(222)和金属纳米粒子。(223)静电纺丝还可以创建具有可控透明度的天然缠结多孔纳米纤维结构，这对于平衡未来可穿戴电子产品的性能和耐磨性至关重要。(224)静电纺丝纳米纤维在组织工程方面的潜在应用非常广泛(225)过滤(226)到可穿戴技术。(105,227)高表面积与体积比对 TENG 器件有利，因为它可以提高电荷密度和整体输出。此外，该机制中针尖和收集器之间施加的电压有助于大多数 PENG 材料的化学结构排列，与其他薄膜制作技术相比，后极化要求更少。(228)这种方法还可以实现更快的充放电速率、更大的存储设备能量存储容量以及提高可穿戴天线应用的透明度，我们在这篇综述论文中对此进行了讨论。
能量自主可穿戴设备由不同的组件组成，包括传感、能量收集、无线通信和能量存储。应用不同的静电纺丝方法可以满足这些单独组件的要求，这些组件必须兼容才能装配在纺织品结构中。此外，除了电气特性之外，静电纺丝方法还具有在纤维或纱线水平上添加功能性的优点，从而保持纺织品结构固有的透气性、渗透性和灵活性。
静电纺丝已被证明可以创建基于摩擦电和压电原理的机械能收集装置。TENG 和 PENG 设备已被部署为能量采集器和自供电传感器。研究人员根据电气性能（例如：V OC、I SC、电荷密度、灵敏度和最大功率）对它们进行了表征。它们的性能构成了此类技术在可穿戴应用（特别是健康监测）方面的可行性，并且已经实现了许多实际应用，包括步态和心率分析。
除了身体运动作为可再生能源之外，太阳辐射也可以为可穿戴设备提供能源。柔性太阳能收集装置材料的组件需要具有高导电性和高效率，同时电极之一需要透明以促进光在活性层内传输，这增加了复杂性。透明导电油墨本质上往往是脆性的，这使得灵活性和弯曲要求难以满足。传统光伏中使用的配置需要重新设计，以满足现实世界可穿戴设备的实用性；例如，由于运动和压缩可能导致泄漏，因此液体电解质是不理想的。克服此类挑战的多种方法，第 3.3 节展示了静电纺丝技术在太阳能纱线和织物方面的潜力，可以将其集成到未来的智能服装中。
纺织品已被开发用于从穿着者周围的不同环境源收集能量；然而，能量可能是瞬态的，并且提供的功率是瞬时的。为了确保连续运行，储能组件对于任何能量自主可穿戴系统都是必不可少的。在第 3.5 节中我们讨论了静电纺丝可以为超级电容器和柔性充电电池等不同层储能组件的开发提供的优势。静电纺丝可用于制造薄而柔韧的高度可拉伸电极，还可用于改善分层设备之间的连接性，以确保反复弯曲后的可靠性和耐用性。一些最新的开发成果能够为温湿度计、手表或计算器等商用设备连续供电，而无需电池。(229,230)
可穿戴技术的最大优势是在日常生活中以自然的方式收集身体的生理信号。为了促进这些，无线通信对于将相关数据传输到外部设备（例如智能手表、网络或相关应用程序）至关重要。无线通信与能量收集和存储相结合，使传感器能够位于身体部位，例如眼睛，这是传感设备难以接近的位置。可穿戴天线必须符合身体轮廓，并且生物相容性必须灵活、轻便和透气，这就是为什么静电纺丝已被用来开发本质上灵活和多孔且具有高表面积与体积比的纳米纤维。可穿戴天线的示例将在第 3.6 节中讨论，尽管这种方法当前的缺点是需要多个处理阶段来创建设备。为了使该技术在商业上可行/纺织品集成，本文讨论的所有方法的可扩展性是必须解决的一个领域，而与纺织品制造技术的合作是进一步推进此类创新的关键。这对于智能纺织品制造的可扩展性以及确保未来的可穿戴设备与纺织品制造工艺兼容至关重要。确保智能纺织品属性的另一个关键领域是建立测试程序和协议，以验证耐用性、可洗性以及机械和电气特性。第 5 节讨论了一些相关的测试程序。
总的来说，静电纺丝为佩戴舒适的无线通信系统的发展做出了重大贡献。不过，正如前面提到的，这些设备在TRL方面仍然需要改进。为了实现这一目标，必须解决几个挑战，包括静电纺丝参数的精确控制、过程的可重复性的维持以及静电纺丝纳米纤维的生产速度的提高。电性能得到证实，并且可以通过工艺参数、材料和先进方法进一步优化。静电纺丝可以实现多种配置，以在纺织品开发的不同阶段添加功能，直接生产可用于机织或针织纺织品的纤维和纱线，或用功能化的电纺纤维层改性织物表面。在这个基础层面整合技术对于未来适合该用途的智能服装至关重要。另一个主要问题是有害有机溶剂的使用，这可能会对这项技术未来的可持续性产生负面影响。为了克服这一挑战，Lv 等人。提出了绿色静电纺丝的概念，需要进一步研究以充分发挥其可持续材料加工的潜力。这可能会对这项技术未来的可持续性产生负面影响。为了克服这一挑战，Lv 等人。提出了绿色静电纺丝的概念，需要进一步研究以充分发挥其可持续材料加工的潜力。这可能会对这项技术未来的可持续性产生负面影响。为了克服这一挑战，Lv 等人。提出了绿色静电纺丝的概念，需要进一步研究以充分发挥其可持续材料加工的潜力。(231)此外，在静电纺丝过程中保持可穿戴电子性能和机械性能之间的平衡可能很困难。为了提高生产速度，需要探索无针静电纺丝、湿式静电纺丝和吹气静电纺丝等技术。虽然聚合物材料加工有其优点，但在静电纺丝后提高导电材料的导电性和耐用性仍然是一个持续的挑战。(232)
当前可扩展性的挑战需要跨领域的进一步跨学科研究，包括纺织工程、制造商、材料科学以及电子和机械工程。可持续性还必须成为设计的核心，并尽可能考虑使用可生物降解材料，并考虑整个产品生命周期以减少未来的浪费。在更大规模的研究中部署的可行性以及对可穿戴传感影响的评估需要与数据分析专业知识的紧密联系。可穿戴传感器有潜力生成大量有关人口和环境健康的数据。虽然与家庭 24/7 监控的医疗黄金标准相比，可穿戴设备的准确性存在一定的折衷，通过机器学习和人工智能等适当的分析工具，有可能收集有价值的健康信息。传感器和智能设备的数量不断增加，该研究领域有潜力以可持续的方式支持这一持续趋势并满足未来的能源需求。