复旦大学彭慧胜Adv. Mater.：电力十足的中国蜘蛛侠

【引言】

最近正在热映的《蜘蛛侠•英雄归来》里，蜘蛛侠荷兰弟身着高科技贴身织物战衣打击罪恶、保护地球、玉树临风、潇洒非凡。而在大荧幕外的现实世界里，科学家们正在努力研发可穿戴的纤维和织物电子器件，试图让电影成为现实。

现代电子设备正朝着小型化和集成化方向发展，并越来越关注可穿戴电子产品。由于它们与人体的紧密接触，可穿戴电子设备具有新的设计要求，包括：重量轻、尺寸小和灵活性。传统的3D和2D电子设备由于其刚性和体积而不能有效地满足这些要求。因此，包括能量收集设备，能量存储设备，发光设备和传感设备在内的一系列新型一维纤维电子设备由于其直径小、重量轻、有弹性和可织性而变得越来越受到重视。本文讨论了纤维和纺织电子设备从单纤维形状设备到连续可扩展制造、封装和测试以及应用模式探索所面临的应用挑战。然后，总结了纤维和纺织电子的发展趋势。最后，强调了促进其商业化所需的未来方向。

【成果简介】

近日，复旦大学的王列（第一作者）在陈培宁青年副研究员、王兵杰副研究员和彭慧胜教授（共同通讯作者）的指导下，在国际顶级期刊Adv. Mater.上发表了综述文章：Application Challenges in Fiber and Textile Electronics。本文讨论了纤维和纺织电子在所有开发阶段所面临的挑战，即从单一设备到连续可扩展制造，再到封装和测试，再到应用模式探索。 最后，总结了已发表的论文和专利所体现的研究现状，以及未来推动其商业化的方向。 作者们希望这篇文章能够让那些对纤维和纺织电子产品应用感兴趣的人全面了解每个开发阶段所面临的机遇和挑战。

【图文导读】

图一. 基于纤维和纺织品的太阳能电池（a）和纳米发电机（b）的最新进展。 插图结构图显示了典型的DSSC（a）和PENG（b）。

图二. 光纤形能量存储设备。

a）扭曲配置中的fber形超级电容器的示意图和扫描电子显微镜（SEM）图像。 b）同轴配置中的纤维状超级电容器的示意图。 c）使用CNT / Si和CNT / LiMn2O4（CNT / LMO）作为电极制造的fber形锂离子电池的示意图。 d）基于弹性聚合物基底的可拉伸的fber形锂离子电池的示意图。 e）基于弹簧状CNT纤维的可拉伸纤维状锂离子电池的示意图（左）和SEM图像。

 图三. 发光的纤维电子器件。

a) 发光LED纱线的光学图像。 b-d）分别为纤维状OLED，纤维状PLEC和ACEL纤维的器件结构和照片的示意图。

 图四. 比较不同类型的基于纤维的传感器。

 图五. a-e）聚（甲基丙烯酸甲酯）（a），聚苯乙烯（b），聚碳酸酯（c），环烯烃共聚物（d）和硅氧烷（e）的化学结构。

 图六. 几种纤维状电子器件的制备方法。

a-c）分别具有扭曲，同轴和交错结构的纤维状电子器件。 d-f）分别用于同步沉积，旋涂和热拉伸的大规模制造方法。

 图七. 一些导电织物的结构。

a）用精细形状的锂离子电池编织的储能纺织品。 黑色箭头表示电池。 b，c）用阴极和阳极纤维的交叉编织的光伏织物的照片和SEM图像。 d-g）通过编织（d）、编织（e）、导电纱线的刺绣（f）和（g）导电油墨的图案化在织物中/上构造的导电轨道。 h）通过导电粘合剂连接的两根交叉线。

 图八. 集成织物电子器件。

a) 串联光纤形超级电容器的示意图。 b，c）集成太阳能电池 - 超级电容器系统和集成超级电容器 - 光电探测器系统的示意图。

 图九. 织物电子器件电路。

a，b）PTCC结构和PTCC原型分别焊接到织物基底上。 c）使用插入器的织物上的电子电路。 d，e）分别在P-FCB上进行电子元件粘接和包装。 f）P-FCB上的系统集成，带有电容传感器，芯片和LED显示屏。 g，h）分别为ECG衬衫和刺绣ECG模块。 i）由间隙保持的刺绣导电纱线。

图十. 织物电子器件领域发展分析。

a）每年针对不同主题发布的文章数量（来源：Web of Science数据库）。 b）不同主题每年注册的专利数量（来源：Derwent Innovations Index数据库）。 c）从Ameri Research Inc.改编的全球智能服装市场价值预测.d）智能服装市场的细分。

【未来与展望】

在过去十年中，新兴的纤维和纺织电子已成为现代电子产品中最有前途的分支，并引起了相当大的研究和商业兴趣。虽然目前在该领域取得了显着进展，但商业产品很少。其中，纤维形传感器代表可用于实际应用的少数装置的一种主要类型。但是，它们仅用于信号监测，预计在不久的将来会有更多的传感功能。对于大多数纤维形状的器件，仍存在许多挑战和技术差距，阻碍了它们的实际应用。

与传统的刚性或薄膜装置相比，纤维形电子装置表现出相对差的性能。纤维电极通常很薄，导电率低于平面电极，这将严重降低纤维形电子器件的性能。尽管通过引入高导电材料和优化器件结构可以提高器件性能，但是需要在机械和电气性能之间取得平衡。因此，非常需要用于纤维形电子器件的新型材料来改善器件性能。而且，需要改善纤维形电子器件的寿命。一方面，在重复变形过程中，活性材料容易从电极上剥离或甚至电极断裂。为此，已经广泛研究了具有可拉伸性的优化装置结构，以确保装置在使用期间能够适应剪切变形。遗憾的是，由于引入了增加装置的体积和重量的非活性弹性体聚合物，因此通常以牺牲电性能为代价来实现拉伸性。另一方面，大多数纤维状电子器件对氧气和水敏感，这导致性能的迅速恶化。然而，目前主流的封装材料和技术未能满足具有高曲线表面的纤维电子器件的要求。因此，寻找新的和有效的封装材料和制造纤维形电子器件的方法是极其重要和迫切的。只有这样才能充分发挥纤维和纺织品的商业潜力。

电子纺织品是纤维状电子器件最重要的应用。为此，开发有效的加工技术以将不同的纤维电子器件集成到具有更好和更舒适的人/纺织品界面设计的纺织品中是至关重要的。而且，需要可靠的连接技术和集成电路来实现电子纺织品的高度集成。但是，只有少数研究可以应用，这些研究还未考虑到人/纺织品界面。此外，纤维器件的功能集成对于实现更广泛的应用非常重要。例如，将超级电容器和传感器集成在一根纤维中可以实现在不使用外部电源的情况下监控环境变化。尽管已经广泛证明了纤维不同功能的集成，但是不同类型的器件之间的材料、结构和制造要求的不匹配仍然是实际应用的关键障碍。

除了上述问题外，安全问题对于实际应用也很重要。诸如电池的一些纤维形电子装置通常需要使用易燃和有毒的有机电解质，并且它们具有在变形期间由短路引起的火灾和爆炸的风险。优选稳定且环境友好的含水或甚至凝胶含水电解质代替纤维状电子器件中的液体有机电解质，同时改善它们的电化学性能有助于解决上述问题。另一个安全问题涉及个人数据的安全性。随着市场渗透率的提高，可穿戴传感器有望产生大量的个人数据，泄露敏感信息会产生有害影响。因此，数据保护已成为应用的最关键因素之一。此外，对于可穿戴应用，还需要考虑其他问题，例如舒适性和可洗性。

更重要的是，由于缺乏适当的评估系统，通常难以比较纤维形电子设备的报告性能。在文献中，绩效指标根据不同的单位以不同的形式表示。以光纤形超级电容器为例，我们可以提供各种参数，如重量/体积/面积/线性电容/能量密度/功率密度，质量/体积/面积可以从活性材料，电极，或整个设备来计算。比较不同的系统令人困惑。此外，柔性特性如弯曲、扭曲和拉伸等等是柔性电子器件的独特指标，但目前还没有统一的纤维电子器件评估系统。因此，纤维形装置的评估方法和测试协议必须标准化。纤维和纺织电子产品的应用需要许多不同领域的专业人士的共同努力，如材料科学家，化学家，物理学家，纺织科学家，生物工程师，电气工程师，机电工程师和软件工程师。这种多学科合作将增加成功范例的可能性，这将为改善我们的生活提供无数机会。

文章链接：Application Challenges in Fiber and Textile Electronics. (Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201901971)

 本文由材料人编辑部纳米材料学术组踏浪供稿，材料牛编辑整理。