可穿戴电子技术已经成为当前国际上一大技术发展潮流。随之而来,其对可穿戴柔性电池的需求也日益突出。但传统电池以硬性平板式结构为主,在轻质化、微型化以及集成化等方面受到诸多限制,影响了其在可穿戴电子设备领域的应用。近年来,以柔性纤维太阳能电池、纤维超级电容器等为代表的新型柔性能源器件大量出现,使得电池在更加轻量便携、易于集成的同时,模块结构也更加灵活,从而突破了入射光角度等应用环境的局限。然而,单根纤维器件的能量以及功率都不足以驱动实际的功能电子设备,如何将其织物化、模块化就成为当前研究亟待突破的一大难题。研究希望突破传统多层电极叠加的固有器件组装方式,从柔性纤维染料敏化太阳能电池出发,结合飞梭织布等工业编织技术,构建织物结构的全固态电池模块,并将其与超级电容器、摩擦纳米发电机等功能纤维编织集成,形成复合智能能源织物。研究内容主要包括以下几点:(1)通过湿法电镀和化学镀等结合,在能级匹配度较低的廉价金属丝以及绝缘高分子纤维上包裹金属锰层做光阳极基底,而后在该导电纤维基底上水热生长一维ZnO纳米阵列,经过制备条件优化,最终得到适用于编织集成的超轻便、高柔性全固态纤维染料敏化太阳能电池光阳极。(2)以自主搭建适用于纤维电池的编织机为基础,借鉴飞梭织造的方式对Mn基复合纤维光阳极、镀金铜丝对电极进行交错编织,克服了电极微纳界面应力控制的技术难关,制备出单层的全固态染料敏化太阳能电池织物。经过器件编织工艺条件以及织物结构等的集成优化,所得电池模块在AM1.5、100 mW/cm2的标准光源下,开路电压可达4.6V,短路电流可达7.8 mA/cm2,可以直接驱动计算器等商用电子设备。(3)为实现对电子产品昼夜持续供电,研究在染料敏化太阳能电池织物基础上,将纤维染料敏化太阳能电池和纤维超级电容器复合编织在同一织物中,从而制备出了兼具太阳能采集和存储一体的全固态新型光伏织物,通过吸收太阳能,可以在17 s内达到1.2 V充电电压,此外,该织物还可以任意裁剪,为后续可穿戴电子衣物的多样性设计提供了更多可能。研究入选了2016年yahoo评选的“The9 most impressive social good innovations from October”。(4)为驱动随身携带电子设备不间断工作,研究在染料敏化太阳能电池织物的基础上,通过飞梭织布技术,将纤维基太阳能电池与纤维摩擦纳米发电机共同编织,制备了一种单层的全固态复合可穿戴能源织物,其可以同时采集太阳光能以及人体运动产生的机械能。一块面积为4 cm×5 cm厚度仅为320μm的智能织物,可以稳定的转化输出0.5mW的电能,不仅可以给电子表、手机等设备提供持续电能,还可以驱动电解水等电化学反应,成果入选Nature“Research Highlights”专栏。通过研究,实现了光伏能源织物的模型器件,并由此衍生出系列智能能源织物的新概念,向实现真正意义上的可穿戴智能能源织物进一步迈进。