中科院北京纳米能源所王中林院士Nano Energy：由3D打印制成的三维超柔性摩擦纳米发电机

【引言】

随着可穿戴设备，人工智能和物联网的快速发展，带动了多功能柔性电子器件应用范围及数量的飞速增长，例如被广泛地集成在衣服或鞋子中，其中一些还附着在人体的受迫部位上。因此，对便携式电源系统带来了极大地挑战，要求其拥有与之相匹配的形状适应性和高柔性。由于固有转换机理，传统的电磁发电和硅基太阳能发电等很难实现高柔性。与此相比，基于柔性高分子材料的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG），通过耦合摩擦起电效应和静电感应实现了机械能量收集并转化为电能，已有报道指出，在较强外力作用下和形变过程中仍然能够保持安全性、高效性和稳定性，这一点非常重要。基于以上描述，TENG作为自驱动超柔性电源显示出巨大的研究潜力；同时其还具备结构简单、材料选择广泛、成本低的实用价值。

【成果简介】

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）的带领下，课题组陈宝东博士后、唐伟副研究员和蒋涛副研究（共同一作）等人首次研究了一种实用的超柔性三维摩擦纳米发电机（3D-TENG），它可以从低频的生物运动中获取能量并转化为电能，来驱动电子器件或为其充电；更加重要的是，该发电设备是通过独特的增材制造技术——混合3D打印实现的。不同于之前基于电介质薄膜作为摩擦电材料的TENG，这种超柔性3D-TENG使用打印的三维复合树脂结构（具有1μm的高印刷精度）和离子水凝胶作为摩擦带电层和电极，实现了TENG的超柔性三维发电结构和高密度集成。它可以应用于生物力学的能量收集（如通常小于3赫兹的人体运动），在约1.3Hz的低频下，瞬时峰值功率密度达到了10.98W/m³，转移电荷密度为0.65mC/ m³。此外，通过自组的自驱动可穿戴设备成功地展示了其实用性、创造性和新颖性，即野外自驱动LED闪烁和蜂鸣器SOS求救信号系统、自驱动智能LED照明鞋以及充电功能。相关成果以题为“Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1.超柔性3D-TENG的结构及其制造工艺

a）本研究中使用的混合3D打印系统的总体示意图。

b）超柔性3D打印部件的数码照片。

c）超柔性3D打印部件的SEM图像。

d）超柔性3D-TENG的设计结构。

e）超柔性3D打印部件的超柔性展示。

图2. 超柔性3D-TENG的工作原理及其输出性能

a）超柔性3D-TENG变形过程的示意图。

b）超柔性3D-TENG的工作原理示意图。

c）数值计算了超柔性3D-TENG的电位分布特征。

d,g）在人体运动约为1.3Hz 条件下，超柔性3D-TENG输出的开路电压（V_oc）、体电流密度（J_sc）、体电荷密度（ρ_sc）以及体电流密度（J_sc）和体功率密度（P_v）与外部负载电阻的特性。

图3. 结构参数对电输出性能的影响

a）超柔性3D-TENG的结构和参数的示意图。

b,c）分别为具有不同D（mm）的超柔性3D-TENG的V_oc，J_sc和ρ_sc。

d,e）分别为具有不同d（mm）的超柔性3D-TENG的V_oc，J_sc和ρ_sc。

图4. 超柔性3D-TENG的压缩比、规格和耐久性

a,b）分别为超柔性3D-TENG的测试过程及其数码照片。

c.）不同压缩比（%）下超柔性3D-TENG输出的V_oc、J_sc和ρ_sc。

d）不同压缩比（%）下超柔性3D-TENG输出的P_v。

e,f）分别为不同规格（cm）下超柔性3D-TENG输出的V_oc、J_sc、ρ_sc和P_v及其部分区域放大图。

g）超柔性3D-TENG的耐久性测试。

图5. 基于超柔性3D-TENG的自驱动电源系统

a）基于超柔性3D-TENG的自驱动SOS求救系统的应用图示。

b）自驱动LED闪烁SOS求救系统的电路及透明柔性的蓝色LED灯丝数码照片。

c）自驱动蜂鸣器SOS求救系统的电路及其数字照片。

d）自驱动LED闪烁SOS求救设备（3.5cm×3.5cm×3.5cm）的数码照片。

e,f）分别为自驱动LED闪烁SOS求救装置压缩前后的工作照片。

g）在22-μF负载电容下的充电电压与充电时间关系曲线。

h）在工作电压为1.5V和3V条件下，自驱动蜂鸣器SOS求救系统的工作频率与求救信号周期的关系。

图6. 可用于驱动低功耗商用电子器件和充电的便携式自驱动电源系统

a）自驱动智能LED照明鞋应用场景插图。

b,c）分别为自驱动智能LED照明鞋植入的超柔性3D-TENG等组件和成型后的数码照片。

d）穿戴者走路时拍摄的自驱动智能LED照明鞋的视频截图。

e）充电电压与负载电容之间的变化关系。

f）不同负载电容下的电压-时间关系。

g）基于超柔性3D-TENG的便携式自驱动电源系统驱动智能温度传感器及为电子手表充电的数码照片。

h）便携式自驱动电源系统为22-μF电容器充电的电压变化曲线。

【小结】

这项研究中，该团队开发出的超柔性3D-TENG及其革命性的制作方法——混合3D打印技术，独特而鲜明，可有效避免层层结构制作工艺不便，保持往复运动不可避免的弹性支撑等问题。实现了TENG的超柔性三维发电结构和高密度集成，同时保持高度的灵活性和形状自适应性，该工作所提出的结构设计理念和制作方法为新型TENG的制作提供了新思路。考虑到易于控制的3D打印制造工艺（微米级）和所用的常用树脂材料，未来可以实现高精度，超复杂结构的大面积集成TENG。凭借创新的制造技术，人们可以预见可穿戴设备中基于超柔性3D-TENG的便携式自驱动电源的巨大潜力，以及在人工智能和物联网等方面的潜在应用价值。

文献链接：Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.049 ）

【团队介绍】

王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal), 2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖,2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用85,000次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

陈宝东博士后（第一作者）、唐伟副研究员和蒋涛副研究员（共同一作）等人为中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究组成员。

附：王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

本文由材料人编辑部学术组木文韬编译，论文第一作者陈宝东博士后修正供稿，点我加入材料人编辑部。仪器设备、试剂耗材、材料测试、

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