《Advanced Science》：Highlighting Recent Progress in Fiber Energy Harvesters: From Working Principles to Future Perspectives
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本综述系统梳理了纤维能量收集器（Fiber Energy Harvesters）的前沿进展。文章首先对比了纤维器件相较于传统块体（Bulk）和薄膜（Thin-film）能量收集器在柔韧性和可拉伸性方面的优势。随后，详细阐述了自下而上（如静电纺丝、化学气相沉积）和自上而下（如浸涂）两大类制备方法及其特点。文章核心部分依据能量来源（机械能、热能和光能）分类，深入剖析了压电（Piezoelectric）、摩擦电（Triboelectric）、热电（Thermoelectric）、染料敏化太阳能电池（DSSC）等多种纤维能量收集器的工作原理、性能及应用实例。最后，探讨了当前在转换效率、生物相容性、环境稳定性及成本方面面临的挑战，并展望了其在推动下一代可穿戴电子（Wearable Electronics）发展方面的巨大潜力。
在物联网与人工智能飞速发展的今天，为海量分布式、低功耗电子设备供电的需求日益增长。环境能量收集技术，将环境中无处不在的振动、热量或电磁波转化为电能，为解决这一难题提供了极具前景的可持续方案。然而，传统能量收集器所用功能材料（如脆性陶瓷或聚合物）固有的可加工性差、机械性能不佳等问题，严重限制了其实际应用。相比之下，基于纤维结构的能量收集器凭借其本征可变形性和多向弯曲能力，展现出卓越的柔韧性和可拉伸性，为未来可穿戴电子系统提供了充满吸引力的替代选择。
纤维能量收集器的制备方法
要制造功能性的纤维能量收集器，主要遵循两大技术路径。其一是“自下而上”法，即从纳米级构筑单元（如纳米线或纳米颗粒）合成并组装成纤维。代表性技术包括静电纺丝、化学气相沉积和电子束沉积。静电纺丝适用于可大规模生产、高拉伸性的聚合物纤维；化学气相沉积可直接生长出机械稳定性优异的导电碳纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）；而电子束沉积则能实现对全无机、多层纳米线的精确控制，为高性能功能纤维拓展了材料选择。
其二是“自上而下”法，通过在商业可得的纤维或纱线（如棉、涤纶、丝绸）表面沉积功能材料来实现功能化。浸涂是最具代表性的技术，此外还有喷涂、喷墨打印等方法。这种方法便于与现有纺织品制造基础设施集成，具有规模化潜力，但面临涂层与基底界面附着力差、涂层厚度不均等挑战。
除了基础制备，额外的加工工艺如加捻（分单捻和复捻）、缆线捻和包芯捻等，可以进一步优化纱线的机械性能，甚至将多种功能纤维组合，创造出结构复杂的纱线系统，以满足特定的能量收集需求。
机械能收集：捕捉身体的每一次运动
纤维机械能量收集器在生物能量收集，尤其是可穿戴应用中潜力巨大。人体运动导致的衣物压缩、接触和拉伸等机械形变，可以被巧妙地转化为电能。目前主要依赖三种机制。
压电材料能将压缩机械能转化为电能。当压力施加于材料时，其内部离子发生位移产生电势差，从而驱动电流。为获得柔韧性，研究主要集中在聚合物基压电材料，如聚偏氟乙烯。例如，有研究将熔融纺丝的PVDF微纤维制成压电织物，并编织成背包肩带，成功从行走的机械能中收集电力。
摩擦电材料则通过接触和分离产生电能。当两种材料接触时，接触界面会发生电荷迁移；分离时，这些电荷的运动便诱导出电流。纤维摩擦电纳米发电机常设计为核壳结构（如PTFE/PDMS）或内置电极的单纤维结构，不仅可用于能量收集，还能作为高灵敏度的接触传感器，集成于手套指尖用于触觉监测。
压电离子能量收集是另一种新颖的机制。当加捻的碳纳米管线在离子液体中被拉伸时，其与离子液体形成的双电层电容的有效接触面积发生变化，从而产生可被收集的电荷流动。通过优化加捻和复捻工艺，这种能量收集方式的效率可显著提升，在可穿戴系统中展现出应用前景。
热能收集：利用无处不在的温度差
我们日常生活中充斥着以副产品形式存在的热能，如汽车尾气、机器运转发热，甚至人体与环境之间的温差。将这些热量转化为可用电能，主要依赖于热电效应（塞贝克效应）。当材料两端存在温差时，会产生电势，其大小与温差和材料的塞贝克系数成正比。将n型和p型半导体在电学上串联、热学上并联，可以叠加电压输出。
然而，商用热电材料如Bi2Te3通常极其脆硬，难以加工成柔韧形状。研究者们探索了多种策略来攻克这一难题。一种方法是制备三维挤出的Bi2Te3/聚合物复合材料纤维，牺牲部分电导率以换取良好的柔韧性。更优的方案是制造全无机的Bi2Te3纳米带并捻成纱线，既保持了较高的电性能，又实现了可观的机械稳定性。
另一种巧妙的方法是采用“芯-鞘”结构，例如通过熔融芯法，将脆性的热电材料（如SnSe）封装在柔性的玻璃包层内，从而获得整体可弯曲的纤维。对SnSe纤芯进行激光再结晶处理，甚至能使其从多晶态转变为单晶态，从而将热电优值提升近四倍。
此外，碳纳米管线因其高导电性、可调的塞贝克系数和优异的比强度，也成为热电纤维的绝佳候选材料。通过选择性掺杂，可以在一根CNT线上交替形成p-n结，并将其直接编织入可拉伸织物中，甚至实现可水洗的特性，为集成到日常服装铺平了道路。
光能收集：编织阳光为衣物供电
纤维光学能量收集器直接将光能转化为电能，为人所处的光照环境提供了近乎无限的能源供给。主要有三类技术路径。
染料敏化太阳能电池利用染料分子吸收光子，将激发的电子注入二氧化钛等半导体的导带，并通过电解质中的氧化还原对实现染料的再生。这类电池在室内弱光条件下表现优异，有研究报道的室内光伏纤维在1500勒克斯光照下认证效率高达25.53%，并可编织成纺织品，用于可穿戴健康监测系统的自充电。
半导体光伏基于光电效应，在p-n结内建电场的作用下分离光生电子-空穴对。通过将切割后的晶体硅电池片集成在柔性基底上，可以制得效率达11%（在AM 1.5G标准光照下）的光伏纤维，其耐用性可经受数千次弯曲，适合户外能量收集织物。
钙钛矿太阳能电池利用钙钛矿材料吸光产生激子，并在与电荷传输层的界面处高效分离。有研究采用弹簧状的钛丝涂覆钙钛矿材料，制成了弹性光伏纤维，在反复拉伸后仍能保持稳定的性能，并且可以通过串并联灵活调节输出参数，易于织入纺织品。
结论与展望
纤维能量收集器在柔韧性、可穿戴集成度方面具有传统器件难以比拟的优势，但仍面临多重挑战。首要问题是能量转换效率相对块体器件较低，这源于纤维加工过程中电导率下降、界面损耗及载流子复合增加等问题。在可穿戴应用中，生物相容性与安全性至关重要，许多高性能材料（如某些碳纳米管、金属硫族化物、钙钛矿）可能存在生物毒性，需要开发有效的封装策略或更安全的替代材料。
环境稳定性，尤其是耐水洗性，是纤维器件实用化的关键门槛。衣物需反复清洗，要求器件在接触水、洗涤剂和温变时性能不衰减，这对封装材料提出了透光性、导热性、柔韧性等多重要求。此外，当前许多制备工艺成本高昂、难以大规模生产，开发基于卷对卷印刷、溶液纺丝等低成本、高通量技术，并将其与现有纺织制造基础设施相融合，是降低整体成本、推动规模化应用的必要途径。
尽管前路挑战重重，但通过材料科学、机械工程、电子工程等多学科的交叉创新，例如开发无铅钙钛矿、本征可拉伸导体，设计剪纸或蛇形纤维结构增强可变形性，利用机器学习加速材料筛选与优化，纤维能量收集器有望克服现有瓶颈。未来，由这些能量收集材料制成的“发电衣物”，或将真正成为我们日常生活中无处不在的主导能源，深刻变革可穿戴电子与物联网的形态。
