《Micro》：Supercapacitor in Sports E-Textiles for Sustainable Gym and Running Apparel
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运动电子纺织品已成为可穿戴技术的关键组成部分，能够实现实时生理监测并提升运动表现。然而，将传统电池集成到运动服装中受到其刚性、重量、有限柔性及安全性问题的制约。纺织集成超级电容器因其轻量化设计、快速充放电能力、长循环寿命及优异的机械柔性，作为一种前景广阔的储能
运动电子纺织品已成为可穿戴技术的关键组成部分，能够实现实时生理监测并提升运动表现。然而，将传统电池集成到运动服装中受到其刚性、重量、有限柔性及安全性问题的制约。纺织集成超级电容器因其轻量化设计、快速充放电能力、长循环寿命及优异的机械柔性，作为一种前景广阔的储能解决方案而受到广泛关注。本综述批判性地审视了基于超级电容器的运动电子纺织品储能领域的最新进展，重点涵盖电极材料、纺织基底、制备与集成策略、电化学性能及在运动服装中的实际应用。特别关注纺织结构、柔性、可洗性、机械耐久性、耐汗性及长期运行稳定性对器件性能的影响。本综述还讨论了限制商业化应用的主要挑战，包括耐久性、规模化制造、用户舒适度及环境可持续性。最后，提出了未来研究方向，以加速开发高性能、可持续且具有商业可行性的纺织储能系统，用于下一代智能运动服装。本综述为从事先进智能运动服装储能解决方案的研究人员、纺织工程师及可穿戴技术开发者提供了全面参考。
1. 引言
运动电子纺织品是纺织工程与可穿戴技术快速发展的交叉领域。电子纺织品通过将导电纤维、传感器、微电子器件、储能装置及无线通信模块集成到纺织结构中，实现对生理和环境参数的持续监测。与仅监测有限身体区域的传统可穿戴设备相比，电子纺织品能够在保持用户舒适度的同时提供分布式全身感知。然而，可充电电池的刚性、重量和有限柔性限制了其在运动可穿戴领域的适用性。因此，运动电子纺织品需要轻量化、柔性且机械性能稳健的储能系统，能够在反复弯曲、拉伸和洗涤条件下保持稳定性能。
纺织集成超级电容器因其高柔性、快速充放电能力和长循环寿命而成为有前景的替代方案。超级电容器的主要特性包括高功率密度、长循环寿命、短充电时间及改善的机械柔性。通过纱线编织、涂层、印刷及层状纺织系统等多种技术，储能元件可直接并入织物结构，不仅减少额外重量，还实现电子元件与纺织品之间更好的集成。研究表明，碳基材料、石墨烯、导电聚合物及纳米结构电极可显著提升超级电容器性能。超级电容器在运动服装中的集成不仅关乎储能，还影响穿着者的舒适度、耐久性和功能性。本系统综述旨在分析运动电子纺织品中基于超级电容器的储能研究趋势、材料、制备方法及实际应用，并重点讨论制约商业化的挑战。
2. 背景
电子纺织品结合先进纺织工程、电子学与可穿戴技术，将服装转变为功能性、智能化的数据生成系统。电子纺织品通常分为被动型、主动型和非常智能型三类。过去十年中，可穿戴纺织品在运动服装领域的重要性日益凸显。运动过程中人体持续承受运动、温度变化、排汗和身体压力，因此现代运动服装已成为提升运动表现的平台，用于监测心率、肌肉活动和汗液分析。
纺织基储能致力于将储能直接并入服装。传统电池虽可储存较多能量，但其刚性、重量和有限柔性使其不太适合运动服装电子纺织品。纺织基储能系统集成到织物结构中，可减轻重量、提高舒适度并提供结构适应性。纱线基超级电容器被认为特别适合运动服装应用，因为它们可通过针织、机织和刺绣集成到织物中。超级电容器通常由两个电极组成，每个电极包含沉积或涂覆在集流体上的电活性材料，以及电解质和隔膜。超级电容器比传统电容器具有更高的电荷存储容量，同时提供比电池更高的功率密度。超级电容器主要分为双电层电容器和赝电容器两类。用于纺织超级电容器的材料包括活性炭、碳纳米管（CNTs）、石墨烯、MXene、导电聚合物和金属氧化物。
3. 综述方法
本综述的方法旨在识别、收集并批判性分析关于运动电子纺织品中基于超级电容器的储能系统的已发表研究。使用Scopus、Web of Science、ScienceDirect、IEEE和Google Scholar等主要科学数据库进行全面文献检索，检索策略涵盖2000年至2026年间发表的研究。仅考虑以英文撰写的同行评审出版物，排除会议摘要、不完整研究、专利和非同行评审报告。纳入标准包括可穿戴纺织品、智能运动服装、纺织基储能系统、导电纱线、石墨烯基电极及纺织集成超级电容器等研究。材料选择和制备方法对超级电容器成功集成到运动电子纺织品中起基础性作用。导电纱线可通过机织、针织或刺绣并入纺织结构。涤纶、尼龙、棉混纺、弹性纤维织物和针织纺织品因良好的机械和舒适性能而常用于运动服装。表面涂层技术如浸涂、喷涂和逐层组装被广泛用于制备纺织超级电容器。印刷技术如丝网印刷、喷墨印刷和三维（3D）打印可实现导电油墨在纺织基底上的精确沉积。通过机织和针织直接集成是另一种先进制备策略。
4. 性能结果与讨论
4.1 电容性能
纺织基超级电容器的电化学性能通常用比电容、等效串联电阻（ESR）、功率密度、能量密度和循环稳定性等关键指标评估。电容反映电荷存储能力，ESR和功率密度决定能量输送效率和速率。研究表明，石墨烯涂层导电织物可提供180–220 F/g的电容。针织物具有更高的孔隙率和拉伸性，可改善电解质渗透并增加电荷存储容量。ESR代表器件总内阻，低ESR可最小化快速充放电过程中的电压损失和热产生。功率密度描述存储能量可输送的速率，超级电容器因快速电荷转移动力学和低内阻而表现出极高的功率密度。循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）被广泛用于评估纺织基超级电容器的电化学性能。导电聚合物涂层纺织电极表现出增强的赝电容行为，但导电聚合物在长时间汗液暴露和反复洗涤循环中易降解。凝胶电解质因降低泄漏风险并提供更好柔性而在可穿戴应用中广受欢迎。研究表明，纺织集成超级电容器在1000–5000次充放电循环后仍能保持可接受的性能。
4.2 纺织结构与超级电容器集成
纺织结构和集成策略直接影响智能服装的性能、柔性、舒适度和耐久性。机织物以尺寸稳定性和坚固结构著称，而针织物提供更大的柔性和拉伸性。针织结构因在身体运动中提供舒适触感和更好的运动适应性而在运动服装中更受欢迎。针织结构中的线圈为电解质渗透和导电通路提供更多表面可及性。非织造纺织品因其多孔结构而受到关注，适用于电解质扩散。纱线基集成被认为是一种先进方法，导电纱线或涂层纤维直接并入织物结构。导电纱线可集成到胸部区域、肩部区域和运动敏感区域，实现局部储能。层状纺织结构包括导电纺织层、电解质层、隔膜和保护性封装。集成方法包括缝纫、刺绣、层压、涂层和印刷。比较分析表明，针织和纱线基系统在运动服装应用中更有前景，因其在柔性、舒适度和储能性能之间提供更好的平衡。
4.3 机械性能
机械性能是超级电容器成功集成到运动电子纺织品的关键因素。运动服装在体育活动中承受持续的身体运动、拉伸、弯曲、扭转、压缩和重复变形。机械柔性是运动服装电子纺织品的基本要求。研究表明，导电纱线基系统在弯曲过程中提供更好的性能保持。拉伸性在运动服装集成中也非常重要。导电聚合物和CNTs复合材料在可拉伸纺织系统中提供更好的适应性。电极层在机械变形过程中产生微裂纹是常见问题，弹性粘合剂和混合导电材料被用于解决此问题。循环弯曲测试和拉伸循环实验用于检查重复运动的影响。压缩行为在身体接触区域尤为重要。纺织结构对机械性能有显著影响，针织结构提供更大的拉伸性，而机织结构具有更好的尺寸稳定性。封装技术用于保护导电层免受外部机械应力、湿气和磨损。
拉伸行为
拉伸行为是运动服装电子纺织品机械性能的关键组成部分。针织、纱线基和混合纺织结构在拉伸循环中保持相对良好的电化学稳定性，而非织造结构的电容保持率下降较快。针织结构因其基于线圈的几何形状在应变分布方面表现更好，纱线基系统在导电纤维内维持局部电荷传输。混合针织/机织结构在10,000次拉伸循环后保持约88%的电容保持率，针织结构约83%，纱线基系统约75%，非织造纺织品约50%。
4.4 舒适性能
舒适性能在运动电子纺织品中起关键作用，因为运动服装直接接触人体。舒适性不仅限于柔软度或轻量化结构，还包括热生理平衡、触觉感知、水分管理和汗液交互。刚性导电涂层或厚多层组件会降低舒适性。在运动服装舒适性背景下，热生理性能、触觉性能和耐汗性被认为是三个主要因素。
4.4.1 热生理性能
热生理性能控制身体与纺织结构之间的热和水分交换。导电涂层、电解质层和封装系统有时会影响气流和水分蒸发。针织结构通常提供更好的热生理性能，因其多孔几何形状改善空气循环和汗液蒸发。水分管理是热生理舒适性的重要组成部分。研究表明，轻量导电纱线集成对水分传输影响最小，而厚多层电极有时降低水蒸气渗透性。热阻在舒适性能中也起重要作用。
4.4.2 触觉性能
触觉性能与织物表面触感、柔软度、粗糙度、摩擦力和皮肤交互有关。导电油墨和薄膜涂层通常提供更好的触觉舒适性。表面摩擦力是触觉舒适性的重要因素，高摩擦表面可引起刺激或皮肤不适。研究表明，针织导电织物比机织导电结构提供更大的柔软度。柔软度感知通过主观和客观方法评估，使用Kawabata评估系统和织物触感测试仪等仪器量化纺织品手感。
4.4.3 耐汗性
耐汗性对运动服装电子纺织品的舒适性和耐久性都很重要。汗液含有盐分、水分和酸性化合物，可影响导电通路的电化学稳定性。汗液暴露可导致导电涂层的降解、腐蚀和粘附损失。碳基电极和导电聚合物因高化学稳定性而提供相对良好的耐汗性。人工汗液测试、湿度暴露实验和循环排汗模拟用于耐汗性评估。耐汗封装层有助于保护导电通路，防潮涂层和疏水纺织处理可减少汗液交互。
4.5 耐久性比较
耐久性是运动服装电子纺织品的关键性能指标。纺织集成超级电容器必须在持续弯曲、拉伸、排汗、洗涤和日常使用中保持功能稳定性。研究表明，纱线基和针织导电结构在重复应力下提供更好的耐久性。耐久性评估包括循环加载、耐磨测试、湿度暴露和重复运动模拟。可洗性是纺织基超级电容器的重要标准。针织导电纺织品通常表现出更好的洗涤耐受性。研究表明，一些纺织超级电容器在20–50次洗涤循环后保持70–90%的性能。
洗涤稳定性
洗涤稳定性是纺织基超级电容器的重要标准。在洗涤过程中，纺织结构承受机械搅拌、洗涤剂交互、水浸泡和温度暴露。针织导电纺织品通常表现出更好的洗涤耐受性。研究表明，包含封装层或导电纱线集成的系统在20–50次洗涤循环后可保持70–90%的性能。导电聚合物和碳基材料在耐洗性方面提供更好的性能。
4.6 可持续性与回收
纺织基超级电容器的发展不仅限于性能提升，可持续性和循环材料设计也变得重要。可持续性的第一步始于材料选择。可回收纺织基底、生物基纤维和低毒性导电材料被认为更环保。碳基电极在可持续性方面相对较好，因为CNTs、活性炭和石墨烯衍生物毒性低且在许多情况下可回收。循环经济方法已成为运动服装电子纺织品的重要概念。循环设计的目标是使纺织基超级电容器可修复、可重复使用或可拆卸。模块化纺织结构、可拆卸导电层和可更换储能组件可提高回收效率。
5. 运动服装中的实际应用
纺织基超级电容器的发展使可穿戴储能系统在运动服装行业中的实际应用成为可能。现代运动服装越来越多地融入智能功能，如传感、监测和生理数据收集。
5.1 健身房服装
纺织基超级电容器在健身房服装中的使用对健身监测和运动敏感服装尤为重要。超级电容器集成健身房服装可为执行姿势矫正、肌肉活动跟踪和重复计数等功能的传感器供电。导电纱线基系统被认为更适合健身房服装，因为它们保持拉伸性和舒适性。
5.2 跑步服装
跑步服装需要轻量化储能系统。纺织基超级电容器可为跑步服装中的嵌入式传感器和无线模块供电，收集距离、速度、步频和身体运动数据。轻量纺织超级电容器在跑步应用中比刚性电池更不笨重。
5.3 身体活动监测
身体活动监测是运动服装电子纺织品的重要应用。纺织集成超级电容器在此类系统中起能量缓冲作用。可穿戴服装可集成加速度计、应变传感器和压力传感器，实现身体运动的完整分析。
5.4 传感器集成
传感器集成是运动服装电子纺织品最重要的实际应用之一。纺织基超级电容器作为分散式能源为各种传感器供电。运动传感器、ECG传感器、温度传感器、应变传感器和压力传感器可集成到纺织结构中。
5.5 汗液和温度监测
汗液和温度监测是运动服装电子纺织品中的重要生物医学应用。纺织基超级电容器为可监测汗液率、pH值、电解质浓度和体温的传感器供电。
6. 研究空白与未来框架
尽管纺织基超级电容器在运动服装电子纺织品中取得了显著进展，但当前研究与实际应用之间仍存在若干重要差距。当前研究大多局限于实验室规模演示。大多数研究基于短期测试，关于长期降解行为、循环疲劳和多环境暴露影响的信息有限。导电材料兼容性是另一个研究空白。纺织业和电子产业仍具有独立的制造生态系统。成本效益是商业化挑战中的关键问题。缺乏可靠性和标准化也是主要商业挑战。关于可持续性，导电纳米材料和某些聚合物电解质的可回收性可能有限。对环境足迹的准确评估也是研究空白。多功能结构被认为在未来纺织架构中更有前景。人工智能和数据驱动的纺织设计也可在未来框架中发挥重要作用。
7. 结论
本综述表明，纺织基超级电容器是运动电子纺织品的有前景的储能解决方案。针织和导电纱线基纺织架构为运动服装应用提供最佳整体性能。碳基电极材料表现出优异的电化学性能、电容保持率和机械稳定性。长期耐久性仍是关键挑战。纺织集成超级电容器可实现自供电可穿戴系统。可持续材料选择、可回收纺织架构、环保制备工艺和生命周期末端管理对最小化环境影响至关重要。尽管取得了显著进展，仍需进一步研究以改善大规模制造、降低生产成本、建立标准化测试协议、提高长期可靠性并加速纺织基超级电容器在智能运动服装中的商业部署。
