智能可穿戴纺织品用电活性纤维材料

方 剑，任 松，张传雄，陈 钱，夏广波，葛 灿

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2.苏州大学 现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123；3.纺织工业科学技术发展中心，北京 100020)

纤维是纺织品的基本组成部分，不同物理化学性质的纤维材料直接影响着纺织品的性能与应用。基于目前可穿戴技术的飞速发展，人们对多功能智能纺织品的需求不断扩大[1]。在轻质织物或柔性基底上集成柔性智能可穿戴电子设备是下一代智能可穿戴领域发展的主要方向[2]。

柔性智能可穿戴纺织品的开发方式大致可分为2种：第1种是基于物理复合的方式，利用贴附、缝合或者袋装等简单的机械方式，将电子材料器件集成到柔性织物基底上，使织物或服装具有一定的电子功能[3]，这种方法工艺直接简单，易于操控，是现阶段最常见的加工方式[4]。然而传统刚性电子器件与柔性纺织服装的简单复合带来了机械性能不匹配、舒适性差、性能不稳定以及清洁不方便等问题。第2种方式是通过开发具有电活性的纤维材料来制备柔性可穿戴设备，能有效改善上述问题。电活性纤维材料本身具备优异的服用性，可将柔性电子器件织造成一个整体并且比普通织物有更好的融合。电活性纤维材料可通过传统织造的方式加工成织物，或者利用添纱、提花等方式嵌入到普通织物中，保证织物的舒适性、透气性、耐用性，为研发出更多功能、更安全、适用性更广的柔性智能可穿戴纺织品奠定了基础。

经过多年的发展，电活性纤维材料的研究和应用已经成为下一代智能可穿戴纺织品发展的关键。本文对智能可穿戴纺织品用电活性纤维材料进行了系统的叙述，总结了电活性纤维材料在智能可穿戴纺织品各应用领域的最新研究进展，以期为电活性纤维材料的研发和应用提供一些新想法和思路，推动智能可穿戴纺织品的升级换代。

1 电活性纤维材料概述

智能可穿戴纺织品的发展得益于各类电活性纤维材料的不断进步[5]。电活性纤维的制备方法主要分为2种：纤维材料电活性化和电活性材料纤维化。纤维材料电活性化是指通过不同的加工工艺，如涂层、共混纺丝或复合纺纱织造等，将电活性材料引入传统纤维材料中。近年来，基于天然纤维和合成纤维的智能纤维在不断向电活性化发展，例如基于蚕丝的热致变色纱线和能量收集纤维[6]，或者基于锦纶[7]和涤纶[8]的导电纤维，有效促进了智能纺织品的开发。电活性材料的纤维化是指将通常不是纤维状的电活性材料加工成纤维结构，例如金属纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维和碳纳米纤维等[9-11]。现阶段电活性纤维除了基础的智能导电连接功能之外[12]，在传感检测、温度调节、智能变色和能量管理等方面显示出巨大的应用前景，如图1所示。

图1 智能可穿戴纺织品的功能和应用

除了使用各类传统纺丝工艺加工的微米尺寸纤维材料，近年来纳米纤维凭借其微小直径、高比表面积和高孔隙率等优异的尺寸和界面效应，成为纤维科学和纺织工程领域的一个重要发展方向[5,13]。静电纺丝技术是目前制备纳米纤维的主要制备工艺，通过对纳米纤维制备工艺的调控，例如纺丝溶液种类和浓度，电场强度和收集距离以及纤维收集装置结构[14]，可制备出一系列的电活性纳米纤维网膜和纳米纤维纱线，应用于传感器、光催化、热催化、电池、超级电容器等各种柔性器件[15-17]。

2 电活性纤维材料的应用现状

2.1 传感器

作为信息传递的媒介，各类应变传感器，如压阻式、压电式和电容式传感器，是可穿戴器件不可或缺的组成元件，现已被广泛应用于人体运动监测和健康医疗[18]。

压阻式传感器是一类能够将压力变化转化成电阻信号变化的电子器件，这类传感器具备制备工艺简单、能量消耗小和测试方便等特点[19]。传统的压阻传感器是通过金属和半导体相结合的方式来实现，但是这类传感器存在柔韧性差和应变范围小等问题，限制了其在柔性可穿戴传感器领域的应用。近年来，纤维长丝和纱线由于本身固有的柔性和可调控弹性等特点，被广泛用作基底或功能材料来集成柔软、高弹、高灵敏度的压阻传感器。Li等[20]直接在1根导电碳线(CT)上包覆1层聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体制备出了纱线状的柔性应变传感器。这种纱线状的CT/PDMS传感器在0%～4%的低应变和8%～10%高应变条件下测得的应变灵敏度系数分别为8.7和18.5，远高于传统金属传感器的2.0。此外，在应变范围0%～10%和频率0.01～10 Hz的循环拉伸载荷下作用2 000次，仍能够保持良好的应变响应，这种传感器在小应变(手指运动和脉搏跳动)测量方面表现出良好的前景。Song等[21]通过在羊毛纱线上浸涂聚氨酯(PU)和纳米银线(AgNWs)，制备出同轴电缆状结构的纱线压阻传感器。其中导电的AgNWs/PU复合壳层用于传感功能，羊毛芯层用于提供传感器的柔韧基底。然后，利用2股正交导电复合纱线的重叠区域作为压力传感器，点接触AgNWs网络产生的电阻对外加应力十分敏感。这种高灵敏的压阻传感器不仅能测量脉搏跳动、手腕弯曲和声波振动等微形变，甚至能够响应5 Pa大小的超低压力。在实际应用中，除了微形变测量，类似肘部的大形变和腰部的扭曲对可穿戴压阻传感器提出了更高的要求。Wang等[22]提出了专门测量大应变和扭曲位移的双壳层屈曲结构纤维传感器。最外层的碳纳米管片和橡胶纤维屈曲状贴合，当应变减小时，中间层的贴合接触面积增加，从而显著降低了传感器的电阻。这种应变传感器具有600%的可逆拉伸形变，在0%～200%和200%～600%的应变下，线性电阻可以增加到102%和160%，这种高应变和较高的线性响应能够用于人体的大形变测量。此外，把多个纤维状压阻传感器集成到服装上时，可在复杂的三维运动中测量躯干相对于骨盆的运动角度。测试结果表明,对躯干弯曲、侧弯和旋转角度的测量误差分别仅为4.26°，3.53°和3.44°[23]。

虽然目前研究的纱线状压阻传感器集成了柔性、高弹和高灵敏度等优势，但是压阻传感器的使用仍需要外部能量供给，并且信号输出只是电阻值的变化，不能反映受力的方向。压电传感器能直接将压力转化为电信号，不需要额外的能量输入，另外，使用者能够通过观察电信号的特征来辨别形变的方向，因此压电传感器在智能可穿戴领域也有很好的应用潜力。

Qin等[24]报道了基于双纤维扭转结构的压电传感器。在芳纶1414纤维表面包覆ZnO纳米线作为压电功能层，并对包覆后的纤维溅射1层Au作为电极，芳纶1414/ZnO和芳纶1414/ZnO/Au 2种复合纤维缠绕排列构成压电传感器，当纤维间发生相对位移时产生电信号。将测量探针与传感器的正负极正接时，能够捕获5 pA左右的正向电流；在将其反接时，则能得到相同数值的反向电流。此外，该传感器能够在低频下工作，能够检测小于10 Hz的低频振动。然而，这种双纤维复合材料的制作工艺复杂，对运动方向要求高，限制了其大规模应用。又有研究人员在此基础上研制出了具备电极层-压电功能层-电极层同轴结构的单纤维压电传感器。Li等[25]将ZnO包覆在导电碳纤维上，然后在复合纤维表面贴1层银胶制备出同轴结构的纤维状压电传感器。传感器中的导电碳纤维作为柔性基底和内电极，而表面的银胶作为外电极。这种同轴的纤维状传感器具备良好的灵敏度，可通过空气、呼吸和心跳驱动，但是由于其中每层都需要单独制备，增加了制造的难度和成本；所以Egusa等[26]引入了生产效率较高、能够实现一次成型的熔融纺丝工艺，一步制备出了具有载碳聚碳酸酯/聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物/载碳聚碳酸酯(CPC/PVDF-TrFE/CPC)同轴结构的单纤维压电传感器，极大地简化了压电传感器的制造过程，另外，该传感器还能实时响应1 MHz的声波信号，同时保持较好的信号强度。

基于电极-压电功能层-电极的多层结构压电传感器虽然制备成本低，但是这种膜状的压电功能材料很难对人体产生的微小形变做出响应；而纳米结构，如纳米线、纳米纤维、纳米管和纳米片等，相对于薄膜材料具有更好的柔性、更优异的压电性能和更高的灵敏度，所以利用纳米结构的压电功能材料制备纤维状压电传感器是一个更好的选择。Du等[27]将ZnO纳米线直接生长在碳纤维(CF)的表面作为压力响应材料，然后在ZnO/CF复合物的表面包覆1层氧化铟锡(ITO)作为外电极。ZnO纳米线对应力极其敏感，能够表现出优异的微形变响应能力，但是直立的ZnO纳米线极易在复杂的受力环境下受到破坏，从而影响传感器的使用寿命。也有研究将弹性的PDMS硅橡胶浇筑到ZnO纳米线的根部，在保持纳米结构的同时改善器件的应变性能，进而提升压电传感器的耐用性。当滑片周期性的在ZnO纳米线表面前后滑动3 600 s后，该传感器仍能保持1.8 mV的测量值，没有出现明显损失[28]。

2.2 智能变色

电致发光(EL)材料是指利用发光材料在电场作用下产生光的特性，将电能转换为光能的电活性材料。其中，纤维状的电致发光材料由于兼具电致发光材料在各种环境下仍能保持性能稳定的能力、良好的质量显示和多种类的发光颜色及纤维材料的柔性、回弹性和可纺性，在智能服装的显示和变色方面有着巨大的发展潜力。纤维状的电致发光材料一般具备外电极-电致发光功能中间层-内电极的同轴结构，其中内外电极用来施加电能，中间的功能层作为显色层。此外，为了避免摩擦和湿气损伤发光层，可在发光层的内外各包覆1层透明的介电材料，来提高电致发光材料的耐用性[29]，但是由于发光材料与芯层之间的界面光损失，纤维状电致发光材料的发光效率要低于传统基于玻璃基板的有机发光二极管(OLED)。为此，Kong等[30]通过浸涂工艺，在锦纶纱线表面包覆1层含有Bphen颗粒的诺兰光学固化胶作为光散射层来提升纤维状光致发光材料的发光效率。结果表明，在515 nm波长处，含有Bphen粒子的光致发光材料的发光强度是不含Bphen粒子材料时的1.3倍。尽管发光纤维的耐用性和发光质量有了很大的提高，但是由于无法工业化连续织造，发光纤维的实际应用仍然受到限制。为解决这一问题，Fan等[31]通过自制的设备连续制备出较长的电致发光纤维。该电致变色纤维采用平行双对电极结构，壳层中的2条平行细金属线充当对电极，而芯层的粗金属线作为工作电极，赋予纤维变色功能的发光材料则涂覆在工作电极和对电极之间的ITO上。由于表面聚合物层和内部的ITO层的双重保护，制备的电致变色纤维具有较好的弯曲稳定性，通过针织工艺可集成大面积的变色织物。最近，Shi等[32]使用工业剑杆织机织造导电和发光织物，形成了长6 m，宽25 cm的电致发光织物显示器。织物经纱和纬纱的每个交错位点构成1个电致发光单元，当向导电纬纱施加交流电压时，产生的低微安培电流诱导发光单元显色。该电致发光织物显示器具备优异的发光稳定性，在弯曲、拉伸和压缩的条件下，发光单元之间的亮度偏差不会超过8%。此外，该织物显示器还具备常规织物柔软、透气、耐机洗等性能，表现出巨大的实际应用潜力。由织物发光显示器、键盘和电源组成的智能纺织品集成系统与智能手机进行信息交互也得到证实，表明这种大面积集成的电致发光系统能够在智能可穿戴纺织品上实现人机交互功能。

2.3 热电调温

体温调节对人体的舒适和健康具有重大影响。通过热电设备(TED)进行个性化的温度调节可显著减少空调等冷却设备的使用并满足独立的调温需求。热电材料是一种可将热能和电能互相转换的固态材料，基于帕尔特理论，直流电在通过热电材料的过程中，热量可从材料一侧转移到另一侧，造成温差，从而产生热端和冷端[33]。热电器件因其尺寸小巧、没有移动部件、无需外加制冷剂，无污染、无噪音，并且冷却功率易于调节等优势，为智能调温服装柔性制冷提供新技术[34-35]。

Ting等[36]利用热拉丝技术，制备出皮芯结构的超长柔性热电纤维。首先选择Bi0.5Sb1.5Te3和Bi2Se3分别制作P型和N型半导体纤维，然后选用熔点高于半导体材料的硼硅酸盐玻璃均匀且紧密地包裹住半导体纤维，在真空下密封以防止纤维被氧化。随后将复合纤维装入纤维拉伸塔，在1 323 K温度下进行热拉伸，根据拉伸的控制可生产数百米长直径不同、光滑的热电纤维，具有良好的柔韧性，最小弯曲直径随着其外径的减小而显著减小，直径为50 μm的纤维弯曲半径小于1 cm。将所制得的热电纤维织入服装面料中，可在3.5 mA的电流下，将温度有效降低6.2 K。

Hong等[37]通过器件结构设计开发出可应用于各类服装的柔性轻便制冷设备。将无机的半导体热电支柱放置在两片可拉伸的柔性共聚酯Ecoflex膜之间，并加入导热填料氮化铝以提升导热性能。将制备的柔性制冷设备集成到服装中后，在不借助任何散热设备的情况下，可连续工作8 h以上并能获得降温超过10 K的制冷效果，为节约能源和提高控温服装的舒适性提供了新的发展方向。

2.4 能量采集与管理系统

智能可穿戴纺织品的各项电子功能需要电源来持续提供电能，因此柔性能源采集和管理系统也是目前研究的重点。在这一方面，电活性纤维材料也可用于制备各类能量收集和能量存储器件。

2.4.1 太阳能应用

太阳能电池是利用太阳光直接发电的能量收集装置，能够满足为柔性用电器供能的需求。在太阳能电池中，电荷能否高效传输决定着电池的短路电流密度，纤维材料因为拥有较高的比表面积和一维结构而常被用来建立高效的电荷传输路径，所以在太阳能电池中引入纤维状的电极或光伏材料可以提高器件的光电转化效率。

由于可穿戴设备涉及到在室内环境中的使用，能够在弱光条件下表现出较高光电转换效率的柔性纤维型染料敏化太阳能电池(FDSC)，是应用到柔性可穿戴领域最有前途的太阳能供能装置[38]。传统的染料敏化太阳能电池以液态电解质作为吸光材料，极易泄漏的挥发性液体电解质限制了其在智能可穿戴领域中的应用。为了克服液体电解质易泄露的问题，Xiao等[38]引入凝胶电解质来代替传统的液态电解质，采用聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)凝胶电解质制备了由卷曲的TiO2纳米管/Ti线光阳极和Pt对电极组成的FDSC。当在电解液中加入质量分数为9%的PVDF-HFP和0.04 mol/L的I2时，制备的凝胶电解质具有良好的交联结构、丰富的氧化还原反应和高入射光照率，集成的FDSC光电转换效率最高可达到6.32%。基于凝胶电解质的太阳能电池，不仅可以限制电解质的泄漏，而且可以提高器件的柔性和稳定性，但是凝胶中液态物质仍存在泄露的风险，为彻底解决液态电解质易泄露的问题，固体电解质被用来替代传统的液态电解质。Yang等[39]利用固态电解质制备了FDSC，首先将多壁碳纳米管(MWCNT)紧密缠绕在橡胶纤维上来制备弹性纤维状电极，接着缠绕1层二氧化钛纳米管修饰过的弹簧状钛线工作电极，然后在复合物的表面整理1层光伏材料，制备出线型染料敏化太阳能电池，能量转换效率能够达到7.13%。这种器件还兼具优异的拉伸性能和能量转换稳定性，在伸长30%的条件下拉伸20 次，电池仍能保持稳定的电能输出。除了电解质易泄露的问题，染料敏化电池使用的各类含贵重金属材料所带来的成本、环境和安全问题是限制其在柔性穿戴领域应用的又一大障碍。所以Sangiorgi等[40]用无金属的有机敏化剂来代替传统的含钌有机金属染料来解决染料中的贵重金属材料使用问题。在这项研究中首次采用3种噻唑类有机染料TTZ3、TTZ5和TTZ7制备了钛线基的FDSC。在漫射光照条件下测试的TTZ7基FDSC的短路电流密度为3 mA/cm2时，转换效率为0.99%，这表明无金属有机染料具有替代金属有机染料的潜力。此外，在染料敏化太阳能电池中，开发低成本且高效稳定的对电极来替代稀有贵金属涂层电极是实现其商业生产的一个挑战。Kim等[41]采用低成本的碳纳米管纱线作为对电极，制备了高效稳定的固态FDSC。经器件优化后，基于碳纳米管的FDSC的功率转换效率能够达到4.00%，与铂电极型染料敏化电池的功率转换效率相当。

2.4.2 热电能量收集应用

在我们的生活和生产环境中，有很多能源是以热量的形式被浪费掉的[42]。如果人体的辐射热能可得到有效利用，人体就有可能为可穿戴设备提供电能。基于塞贝克理论，热电材料可在温差(人体表面和环境)作用下，在材料内部产生电势，从而具有发电功能[43]。利用热电材料制备的发电机，通过收集浪费的热量进行发电，具有稳定性高和寿命长等优点，同时基于柔性电子技术的发展，纤维基的柔性热电材料已经可用于智能可穿戴纺织品中。热电纤维主要的制备方法有静电纺丝技术、涂刷以及浸渍等工艺。

碳纳米管纤维(CNTF)因其低质量密度，高电导率、比表面积和拉伸强度等优势，在制备热电纤维方面显示出巨大的应用前景。Jin等[44]利用静电喷涂技术制备高性能的CNTFs，使用聚乙烯亚胺(PEI)，通过掺杂工艺将CNTF改性成为热电纤维的方法。首先将聚丙烯腈(PAN)纤维固定在接地板上，然后将碳纳米管(CNTs)的乙醇溶液通过静电喷涂工艺涂覆到接地板上聚丙烯腈纤维束表面，随后将得到的纤维进行退火、加捻和塑形等工艺来制备P型热电CNTF。将处理好的P型CNTF浸入到不同浓度的PEI乙醇溶液中，在40 ℃下真空干燥2 h后可获得N型热电纤维。最终制成的热电器件在33.4 K的温差下，输出电压为6.46 mV，电流为4.06 μA，最大功率为26.2 nW，性能优于用涂层法和湿纺法制备的CNTF热电发电机。此研究成果为高性能热电纤维材料的可穿戴应用提供了新颖便捷的方法。

Xu等[45]报道了利用涂刷工艺，将聚(3,4-乙二氧基噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)/碲纳米线(TeNWs)制备成复合柔性热电纤维的方法，将其编织并直接集成于织物。首先将二氧化碲和氢氧化钾溶于乙二醇，通过控制添加剂的含量制备不同长度的碲纳米线。随后将碲纳米线和PEDOT：PSS沉淀物分散在去离子水中制备中均匀的分散体，通过湿纺纺丝工艺将分散液在异丙醇中凝固成型，几分钟后即可获得连续纤维。将所得纤维以6.5 mm的间隔涂刷银浆，干燥后制得以PEDOT：PSS/TeNWs为P型导体，金属银为N型导体的柔性热电纤维。利用简单的湿纺和涂刷工艺制备的热电纤维最佳功率可达到78.1 μW，在40 K的温差下，可输出31 mV的电压。

Zheng 等[46]开发出一种简易且可大规模生产的浸渍工艺来制备基于碳纳米管纱线(CNTY)的分段热电纤维材料的方法。首先将CNTY均匀缠绕在1块薄的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)板并卷成圆柱状，在外侧用银浆刷出2条平行线，随后将其上下两端分别浸渍在PEDOT：PSS和PEI的溶液里，通过银浆线的位置确定浸入的深度，充分干燥之后与聚酯纤维捻在一起，提升纤维的机械稳定性。把这种热电纤维织入针织结构面料中，最终制得热电纤维织物，在47.5 K的温差下，可达到5.15 mW/cm2功率输出密度。

2.4.3 压电能量收集应用

压电纳米发电机(PENG)是一种通过压电效应收集环境中微小机械能并将其转化为电能的能量收集装置。压电效应是指某些材料表面受到施加的机械应力材料内部发生电极化进而产生电荷的现象。具有压电效应的材料称为压电材料，主要可分为压电陶瓷和压电聚合物。运用于智能可穿戴纺织品的压电材料大多为柔性压电聚合物如PVDF及其共聚物。然而与压电陶瓷相比，压电聚合物的压电常数较小，在能量收集的实际运用中受到很多限制，因此现在有许多研究致力于提升压电聚合物的压电性能。

将不同种类的功能材料如CNT、石墨烯、二维过渡金属碳/氮化物(MXene)等掺杂到压电聚合物基体中来改善聚合物基体自身的压电性能是目前最常用的提升PENG能量输出的方法。Chen等[47]将无机卤化铅钙钛矿(CsPbBr3)通过原位生长的方法掺杂到PVDF纺丝液中，再通过静电纺丝得到CsPbBr3/PVDF复合纤维。复合纤维中的CsPbBr3能够明显提升纳米纤维PENG的压电性能，相较于纯PVDF纤维PENG(6 V，10 μA/cm2)，其开路电压和短路电流密度分别提升到103 V和170 μA/cm2。

除了压电材料性能的提升，纱线结构的设计也能改善PENG的压电输出性能。Kim等[48]通过静电纺丝的方法连续制备了具有同轴结构的PENG纱线。首先将PVDF-TrFE纳米纤维静电纺丝到铜线上形成压电纱线，10根该纱线在100 kPa的压力下能产生3.9 V的输出电压。为了最大限度地提高PVDF-TrFE纳米纤维与内部Cu电极之间的接触面积，保持PVDF-TrFE纳米纤维的结构并防止在能量产生过程中受外力而产生变形，可将上述纱线表面浸涂1层PDMS，再在PDMS涂层上缠绕镀银锦纶作为外层电极，形成更加稳定的PENG。

2.4.4 摩擦电能量收集应用

摩擦纳米发电机(TENG)是通过摩擦效应和静电感应效应相耦合而工作的能量收集器，可收集环境中的机械能并将其转化为电能。相比于压电纳米发电机等其他类型的能量收集器，摩擦纳米发电机具有材料选择广泛(可根据摩擦序列进行材料选择)和器件结构多样的特点，能够有效收集各种机械能(如风能、水能甚至人体细微的运动如心跳等)。运用于智能可穿戴纺织品的纺织基摩擦纳米发电机还具有可水洗、透气性高和柔韧性好等特点，可充分满足现代智能纺织品的需求。其中，摩擦纳米发电纱线具有柔性高和可织造的优点，因而被更多的学者所关注[49]。

Dong等[50]首先采用编织法制备出了具有同轴芯鞘结构的摩擦纳米发电纱线，再经编织形成具有高灵活性、形状适应性、结构完整性、可反复洗涤性和机械稳定性的摩擦纳米发电织物，该织物后续可为微型可穿戴电子设备提供动力，并感应微小的质量变化。首先将8根镀银锦纶用编绳机编织起来形成摩擦纳米发电纱线的芯层电极，再将其固定在中空管子的中心并向中空管子里注入PDMS作为摩擦纳米发电纱线的壳层摩擦负极材料，待PDMS固化后，去除中空管子得到核鞘结构的摩擦纳米发电纱线。最后经四步矩形编织得到摩擦纳米发电织物，其功率密度相较于单根摩擦纳米发电纱线从150 μW/m3提升到26 W/m3。

早期研发的摩擦纳米发电纱线都只能在实验室小规模制备，无法连续化生产加工。为解决这个难题，Chen等[51]利用环锭纺纱的方式连续生产出了负泊松比纱线，产量可达2 000 m/h。在其外部包裹硅橡胶得到的摩擦纳米发电纱线在拉伸的条件下，单根纱线的开路电压为0.545 V。实验表明，该纱线可应用于能量收集织物、自计数瑜伽弹性带和自供电预报警电缆等。

2.4.5 能量存储应用

电活性纤维材料除了能够收集使用环境中的能量来转换为电能，还能制备成纺织结构的能量存储器件用于给智能可穿戴系统供电，例如柔性超级电容器和柔性电池。传统的刚性超级电容器和电池难以满足智能可穿戴纺织品对柔性的要求，因而开发出微型化、易集成、柔性好且能更好与智能服装贴合的新型能量存储器件将是智能可穿戴纺织品今后发展的重要方向。特别是一维纤维和纱线状的柔性超级电容器和柔性电池有着更高的自由度，可任意折叠且可编织为二维或三维织物，更能满足柔性可穿戴纺织品的应用需求。

Song等[52]研发了具有核鞘结构的不对称纤维状超级电容器。首先制备了聚吡咯-多壁碳纳米管蚕丝(PPy-MWCNTs-silk)电极作为正极，随后将其浸泡在作为电解质的H2SO4/PVA凝胶中并在室温中固化，最后再将固化好的正极插入到负极中空石墨烯管中。所制备的正极PPy-MWCNTs-silk和负极石墨烯管的单位长度电容分别为15.3和19.1 mF/cm，因而研发的纤维状超级电容具有良好的性能，工作电压可达1.6 V，单位长度电容为2.3 mF/cm, 能量密度为0.8 μW·h/cm

柔性电池要求阳极材料、阴极材料、隔膜和电解液等都要具有柔性和一定可拉伸性，因此探究新的电极材料等也成为现今柔性电池的研究重点。Zang等[53]研发了具有优异电化学性能的混合价氧化锰(MnOx)阴极，其在0.2C倍率放电下具有450 mA·h/g的质量比容量，在5C的高倍率下比容量为158.3 mA·h/g。该混合阴极降低了电荷转移电阻，表现出良好的表面稳定性和吸附性能，有利于锌离子的储存。将锌线作为阳极，MnOx作为阴极活性材料，不锈钢丝作为阴极材料载体，聚丙烯酰胺(PAAm)凝胶水溶液作为电解质，纤维素纸作为隔膜，热收缩管作为包装材料一同组装成同轴纤维状锌离子电池(CFZIB)，该柔性电池可达到255.8 mA·h/g的可逆容量，在1 000次弯曲变形后，容量保持率高达80%。除了同轴结构的纱线状柔性电池，其他结构如平行结构和缠绕结构的纱线状电池同样具有良好的柔性以及拉伸性。Wang等[54]采用3D打印技术制备了柔性纤维锂离子电池(LIB)阴极和阳极材料，再通过螺旋缠绕的方式组装成缠绕结构的纱线状锂离子电池。首先使用含有CNT和磷酸铁锂(LFP)或氧化钛锂(LTO)的高黏性聚合物油墨分别打印成LFP纤维阴极和LTO纤维阳极。随后将凝胶聚合物作为准固态电解质并与电极材料缠绕在一起，组装成纤维锂离子电池。在电流密度为50 mA/g的情况下，该纤维电池的比容量高达110 mA·h/g。后续可织造编织或集成到织物上，用于智能可穿戴纺织品应用。

3 结论与展望

电活性纤维材料可由传统纤维材料的电活性化或者电活性材料的纤维化制得，因其具有柔韧性、可编织性和可集成性等优点，将被广泛应用在智能可穿戴纺织品中，包括可穿戴传感器与执行器、显示器、柔性电池和超级电容器、太阳能电池、自供电智能可穿戴电子设备等。虽然现在的电活性纤维材料研究已取得巨大进展，但距离投入工业化生产以及大规模应用还有很大差距。

对于电活性纤维在传感器方面的应用，仍需继续提高其反应灵敏度以及在不同应变范围内的长效稳定性；应用于智能变色的电活性纤维应考虑合理的结构设计，减少发光功能层的磨损；热电纤维材料的应用需要在柔性热电材料制备以及热电织物结构设计上取得更大突破；在能量管理的应用中，应继续提高能量转换效率和柔性器件的能量存储密度。

现阶段智能可穿戴产品的关键设备仍然依赖刚性微电子器件，对于今后实际的智能纺织品应用，需要提升电活性纤维和智能纺织品的柔性、服用性以及耐用性。大部分用于智能可穿戴的电活性纤维直接接触人体皮肤，在服用过程中的安全性和舒适性目前主要是通过物理性能数据评估，缺少统一的评定标准，且对于在生理/心理统计分析过程中是否能发挥作用，仍有较大的空白尚待探索。为了降低成本并进行大规模生产，必须规模化制备电活性纤维材料。然而目前研究的大多数材料和原型器件都处于实验室制备阶段。如何大规模地连续生产高稳定性的电活性纤维材料是目前面临的主要挑战。

基于对智能可穿戴纺织品功能多样化的需求，集成各种柔性电子器件与设备于一体，成为一个更全面的智能纺织品交互系统，如可开发能量收集与管理一体化设备，真正实现柔性可穿戴电子系统的可持续供电。基于人工智能、大数据和物联网技术的快速发展，可开发根据个人需求定制的个性化智能纺织品系统，提供更全面的个性化服务。在学术界和产业界的共同努力下，通过材料物理与化学、纤维加工、纺织工程以及各类应用领域专家的合作研究，相信电活性纤维材料的研究以及智能可穿戴纺织品的发展在不久的未来将进入一个快车道，迎来真正的智能服装时代。

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