東華大學(xué)：高度可拉伸，透明，耐用的摩擦納米發(fā)電機

來源：材料與測試

摩擦納米發(fā)電機（TENG）已被開發(fā)為高效且可持續(xù)的電源，可將機械能轉(zhuǎn)化為電能。目前已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究來開發(fā)可以收獲各種形式，尤其是來自人體運動的能量的機械能的柔性TENG的可穿戴設(shè)備。特別是，由于可穿戴設(shè)備符合柔軟的人體組織和頻繁的人體運動而不會降低設(shè)備性能，并且透明度有助于視覺傳輸信息的潛在應(yīng)用。因此，柔軟、可拉伸和透明的TENG在可穿戴電子產(chǎn)品中顯示出巨大潛力。

近日，東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室游正偉等人在Nano Energy上發(fā)表了一篇題為“Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range”的文章。他們提出了一種基于離子凝膠的摩擦納米發(fā)電機（I-TENG），具有高拉伸性（> 400%），透明度和寬溫度耐受范圍（-20至100°C）。含有離子液體[1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺（[EMI] [DCA]））的離子凝膠通過紫外光聚合3-甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）銨丙烷磺酸鹽（DMAPS）和丙烯酸一步制備。過硫酸銨作為光引發(fā)劑。離子凝膠網(wǎng)絡(luò)由DMAPS部分上的側(cè)鏈兩性離子官能團(tuán)之間的偶極-偶極相互作用以及離子液體離子和離子化基團(tuán)之間的離子-偶極相互作用構(gòu)成。所制備的離子凝膠表現(xiàn)出高拉伸性（~800%），透明性和離子導(dǎo)電率。離子凝膠與聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜組成的I-TENG在負(fù)載電阻為10MΩ時的峰值輸出功率為1.3 W m-2。此外，I-TENG具有優(yōu)異的抗疲勞和耐久性能，其電輸出性能至少穩(wěn)定一個月。I-TENG可以從各種人體運動中獲取機械能，并作為自供電的人體運動傳感器。更重要的是，I-TENG能夠在-20至100°C的寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)長期穩(wěn)定的電輸出和傳感性能。

Paper_1圖1 I-TENG的設(shè)計和離子凝膠的表征

（a）具有夾層結(jié)構(gòu)的I-TENG；（b）離子凝膠和I-TENG的透明性；（c）I-TENG的透明度和不同的機械變形；（d）I-TENG共形地附著在手腕上；（e）離子凝膠和I-TENG的單軸拉伸試驗。

Paper_2圖2 I-TENG的工作機理和電輸出性能

（a）I-TENG的工作機制；（b）開路電壓VOC；（c）短路電流和短路電荷量Q（插圖）；（d）不同接觸面積的I-TENG輸出電壓；（e）I-TENG的輸出電流密度和功率密度隨外部負(fù)載電阻的變化；（f）I-TENG超過7000次循環(huán)的耐久性；（g）1000次100%應(yīng)變循環(huán)前后I-TENG輸出電壓的比較。TENG處于初始狀態(tài)和100％應(yīng)變狀態(tài)（插圖）。

Paper_3圖3 使用I-TENG進(jìn)行能量收集

（a）I-TENG點亮40盞綠色LED；（b）以I-TENG為電源的4.7μF，10μF，22μF和47μF商用電容器的充電曲線；（c）自充電系統(tǒng)的圖像和等效電路，其使用從I-TENG收集的能量來為電子表供電；（d）由I-TENG充電并用于為電子表供電的22μF電容器的電壓循環(huán)曲線。

Paper_4圖4 在30℃或100℃下相對濕度（RH）為30%的干燥環(huán)境中I-TENG與H-TENG穩(wěn)定性比較

（a）H-TENG和I-TENG的實物圖片；（b）TENG中水或離子液體的含量隨時間的變化；（c）I-TENG和（d）H-TENG在不同時間點的開路電壓；（e）離子凝膠和I-TENG的重量保留隨時間的變化；（f）100℃下I-TENG的開路電壓和短路電流隨時間的變化。

Paper_5圖5 水凝膠、離子凝膠和雙電極I-TENG的低溫耐受性照片

（a）水凝膠在-20℃下結(jié)冰易碎，而離子凝膠在-20℃下仍具有良好的拉伸性；（b）雙電極I-TENG的示意圖；（c）室溫（R.T.）和（d）-20 ℃下，在不同彎曲角度下雙電極模式下I-TENG的電壓。

本文設(shè)計了一種基于離子凝膠的新型TENG，其在-20至100℃的寬溫度范圍內(nèi)甚至在拉伸狀態(tài)下，顯示出高透明度，可變形性，耐久性和穩(wěn)定的電輸出性能。I-TENG展示了有效的生物力學(xué)能量收集和自供電生理監(jiān)測，表明其在可穿戴電子設(shè)備，電子皮膚（E-skin），軟機器人和人工智能中的巨大潛力。未來，研究人員將開發(fā)更高效的離子凝膠和相關(guān)密封材料，以改善I-TENG的各種性能，適用于各種應(yīng)用。此外，可拉伸，柔軟和透明的離子凝膠可以成為在各種條件下使用的其他電子設(shè)備（可拉伸超級電容器，軟體感應(yīng)驅(qū)動器，多功能傳感器等）的理想電極和電解質(zhì)材料，甚至在沙漠和雪原等惡劣條件下使用。

該論文的第一作者為東華大學(xué)博士生孫利杰，游正偉教授為該論文的通訊作者，管清寶副教授為論文的共同作者。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵志計劃等基金的資助。

文獻(xiàn)鏈接：Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range （Nano Energy，2019， DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.043）