王中林院士團隊Adv. Funct. Mater.：基于無溶劑離子導電彈性體電極的可拉伸、透明且熱穩定的摩擦電納米發電機

【引言】

柔性/可拉伸電子產品的快速發展一直受到一個挑戰的阻礙，因為大多數國家最先進的功率器件很難匹配電子產品的靈活性、可拉伸性或多功能。例如，在許多已報告的與多功能智能傳感器集成的電子皮膚中，已經實現了高拉伸性、自我修復能力或透明性，但對兼容能源設備的研究仍然落后。摩擦電納米發電機（TENGs）結合了摩擦電和靜電感應技術，由于材料選擇的自由度高、各種操作源、高功率的功率，已經成為備受期待的下一代機械能量收集設備，引起了廣泛的關注。最近報道了通過使用導電聚合物復合材料作為電極的幾種可拉伸的TENGs，這些TENGs通過將導電材料（碳納米管、石墨烯、碳糊、銀納米線等）混合到彈性體基材中來實現。然而，由于導電填料在大應變下逾滲網絡被破壞的事實限制了可拉伸性。另外，已經報道了通過使用水凝膠或離子凝膠的離子導體具有超高拉伸性的TENGs。水凝膠由親水性聚合物網絡組成，該聚合物網絡會被水或離子水溶液溶脹，具有可拉伸性、生物相容性和透明性。但是，這些設備的環境穩定性差，因為水凝膠或離子凝膠的離子電導率和可拉伸性會由于液體溶劑的脫水或蒸發而嚴重惡化。因此，理想的可拉伸TENG將利用彈性體作為帶電材料和電極。彈性體電極具有良好的離子導電性，不含液相材料，同時具有良好的拉伸性能和環境穩定性。無溶劑離子導電聚電解質[聚環氧乙烷（PEO）、聚環氧丙烷（PPO）、聚硅氧烷（PSI）等]已被廣泛報道用于全固態儲能設備中。無溶劑聚電解質是通過鹽-聚合物策略合成的，通過聚合物鏈的離子運輸實現導電。由于沒有液體溶劑，它在空氣中相當穩定，既沒有失重，也沒有電導率和力學性能的衰減。然而，大多數固態聚電解質的可拉伸性是有限的，可拉伸離子導電彈性體（ICEs）的報道也很少。

【成果簡介】

近日，在美國佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和中國科學院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員（共同通訊作者）帶領下，報道了一種離子摩擦電納米發電機（iTENG），通過使用介電彈性體作為起電層，離子導電彈性體作為電極，可以實現人體運動能量收集和觸摸感應。同時實現了超高拉伸性（最終應變ε為1036％）和高透明性（高達91.5％）。像皮膚一樣柔軟的納米發電機能夠輸出高達95 V的開路電壓，瞬時面積功率密度為55.9 mW m^-2。更重要的是，消除了先前報道的水凝膠的脫水限制。ICE直到335°C都是熱穩定的，基于ICE的iTENG（ICE-iTENG）即使在100°C下保持15 h也不會表現出輸出性能下降。此外，ICE-iTENG基傳感器具有三角形金字塔表面作為帶電層，可以感應低至0.4 kPa的壓力。目前的研究展示了一種超強拉伸、生物相容、透明且對環境穩定的能量收集器和觸摸傳感器，表明其在相對較高的溫度下，在智能人造皮膚、軟機器人、功能顯示屏和可穿戴電子設備方面有潛在的應用前景。該成果以題為“Stretchable， Transparent， and Thermally Stable Triboelectric Nanogenerators Based on Solvent-Free Ion-Conducting Elastomer Electrodes”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 ICEs的性質

a）ICE前體和聚合ICE的分子結構。

b）ICEs中離子遷移的機制。

c）具有三明治結構的ICE-iTENG方案。

d）ICE的離子電導率與測試溫度的關系。

e）在ICE、VHB彈性體和ICE-iTENG可見范圍內的透射率。插圖是ICE-iTENG的照片（比例尺：1?cm）。

f）ICE和ICE-iTENG的應力-應變曲線。照片為初始狀態（拉伸λ= 1）和拉伸狀態（λ= 11或應變ε= 1000％）（比例尺：1 cm）的ICE-iTENG（用箭頭指示）。

圖2 ICE-iTENG在單電極模式下的工作原理、輸出和拉伸性能

a）ICE-iTENG工作機制的方案。

b）ICE-iTENG的開路電壓VOC、短路電荷量QSC和短路電流ISC。

c）輸出電流密度和功率密度隨外部負載電阻的變化。

d）ICE–iTENG在初始狀態和不同拉伸狀態的照片。

e）與乳膠膜接觸分離運動時相應的輸出VOC。

圖3?ICE-iTENG的耐用性

a）ICE和PAAm-LiCl水凝膠的熱重測量。

b）水凝膠-iTENG和ICE-iTENG在100℃烤箱中的重量保持率。插圖為ICE和PAAm水凝膠的原狀，并在100℃下保存5小時后。

c）比較水凝膠-iTENG和ICE-iTENG在原樣狀態下以及在100℃下存放15 h后的VOC。

d）PAAm水凝膠和ICE在100℃下保存15 h的可拉伸性（比例尺：1 cm）。

e）在與尼龍薄膜接觸分離的情況下，在不同溫度下測得的ICE-iTENG的歸一化VOC值（在20℃下歸一化為VOC）。

f）ICE-iTENG在室溫下存放5個月前后的VOC比較。

圖4 ICE-iTENG的生物力學能量收集

a,b）利用從ICE-iTENG收集的能量為電子設備供電的a）照片和b）自充電系統的等效電路。

c）用于電子表供電的ICE-iTENG充電的2.2 -μF電容器的電壓曲線。

圖5?ICE-iTENG進行壓力感測

a）表面帶有三角棱鏡的Eco-flex的示意圖（比例尺：1 cm）。

b）ICE-iTENG傳感器的方案（比例尺：1 cm）。

c）電壓峰值振幅隨接觸壓力的變化。插圖：ICE-iTENG觸覺傳感器的照片（面積3×3 cm²）。

d）作為觸覺傳感器的ICE-iTENG在六個不同壓力下的典型電壓曲線。

e）使用ICE-iTENG壓力傳感器監測人類活動。

【小結】

總之，設計了一種基于ICE的新型iTENG。合成的ICE-iTENG在-20 ~ 110℃的寬溫度范圍內顯示出高透明度、高拉伸性和穩定的電氣性能。此ICE-iTENG完全避免了液體溶劑的脫水或蒸發，并且ICE在約335℃的溫度下是熱穩定的。 即使在100℃的溫度下存放數小時，ICE-iTENG的電氣性能也不會降低，這對于下一代可拉伸電源來說是非常理想的。團隊展示了ICE-iTENG進行的有效生物力學能量收集，表明了其在自供電電子產品中的巨大應用潛力。此外，通過在摩擦電材料表面構造三角金字塔結構，實現了高靈敏度的透明壓力傳感器。 ICE-iTENG傳感器的靈敏度為2.871 kPa^-1，檢測壓力極限低至940 Pa。

文獻鏈接：Stretchable，?Transparent，?and Thermally Stable Triboelectric Nanogenerators Based on Solvent-Free Ion-Conducting Elastomer Electrodes（Adv. Funct. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adfm.201909252）

本文由木文韜編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。