王中林院士团队Adv. Funct. Mater.：基于无溶剂离子导电弹性体电极的可拉伸、透明且热稳定的摩擦电纳米发电机

【引言】

柔性/可拉伸电子产品的快速发展一直受到一个挑战的阻碍，因为大多数国家最先进的功率器件很难匹配电子产品的灵活性、可拉伸性或多功能。例如，在许多已报告的与多功能智能传感器集成的电子皮肤中，已经实现了高拉伸性、自我修复能力或透明性，但对兼容能源设备的研究仍然落后。摩擦电纳米发电机（TENGs）结合了摩擦电和静电感应技术，由于材料选择的自由度高、各种操作源、高功率的功率，已经成为备受期待的下一代机械能量收集设备，引起了广泛的关注。最近报道了通过使用导电聚合物复合材料作为电极的几种可拉伸的TENGs，这些TENGs通过将导电材料（碳纳米管、石墨烯、碳糊、银纳米线等）混合到弹性体基材中来实现。然而，由于导电填料在大应变下逾渗网络被破坏的事实限制了可拉伸性。另外，已经报道了通过使用水凝胶或离子凝胶的离子导体具有超高拉伸性的TENGs。水凝胶由亲水性聚合物网络组成，该聚合物网络会被水或离子水溶液溶胀，具有可拉伸性、生物相容性和透明性。但是，这些设备的环境稳定性差，因为水凝胶或离子凝胶的离子电导率和可拉伸性会由于液体溶剂的脱水或蒸发而严重恶化。因此，理想的可拉伸TENG将利用弹性体作为带电材料和电极。弹性体电极具有良好的离子导电性，不含液相材料，同时具有良好的拉伸性能和环境稳定性。无溶剂离子导电聚电解质[聚环氧乙烷（PEO）、聚环氧丙烷（PPO）、聚硅氧烷（PSI）等]已被广泛报道用于全固态储能设备中。无溶剂聚电解质是通过盐-聚合物策略合成的，通过聚合物链的离子运输实现导电。由于没有液体溶剂，它在空气中相当稳定，既没有失重，也没有电导率和力学性能的衰减。然而，大多数固态聚电解质的可拉伸性是有限的，可拉伸离子导电弹性体（ICEs）的报道也很少。

【成果简介】

近日，在美国佐治亚理工学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员（共同通讯作者）带领下，报道了一种离子摩擦电纳米发电机（iTENG），通过使用介电弹性体作为起电层，离子导电弹性体作为电极，可以实现人体运动能量收集和触摸感应。同时实现了超高拉伸性（最终应变ε为1036％）和高透明性（高达91.5％）。像皮肤一样柔软的纳米发电机能够输出高达95 V的开路电压，瞬时面积功率密度为55.9 mW m^-2。更重要的是，消除了先前报道的水凝胶的脱水限制。ICE直到335°C都是热稳定的，基于ICE的iTENG（ICE-iTENG）即使在100°C下保持15 h也不会表现出输出性能下降。此外，ICE-iTENG基传感器具有三角形金字塔表面作为带电层，可以感应低至0.4 kPa的压力。目前的研究展示了一种超强拉伸、生物相容、透明且对环境稳定的能量收集器和触摸传感器，表明其在相对较高的温度下，在智能人造皮肤、软机器人、功能显示屏和可穿戴电子设备方面有潜在的应用前景。该成果以题为“Stretchable， Transparent， and Thermally Stable Triboelectric Nanogenerators Based on Solvent-Free Ion-Conducting Elastomer Electrodes”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 ICEs的性质

a）ICE前体和聚合ICE的分子结构。

b）ICEs中离子迁移的机制。

c）具有三明治结构的ICE-iTENG方案。

d）ICE的离子电导率与测试温度的关系。

e）在ICE、VHB弹性体和ICE-iTENG可见范围内的透射率。插图是ICE-iTENG的照片（比例尺：1 cm）。

f）ICE和ICE-iTENG的应力-应变曲线。照片为初始状态（拉伸λ= 1）和拉伸状态（λ= 11或应变ε= 1000％）（比例尺：1 cm）的ICE-iTENG（用箭头指示）。

图2 ICE-iTENG在单电极模式下的工作原理、输出和拉伸性能

a）ICE-iTENG工作机制的方案。

b）ICE-iTENG的开路电压VOC、短路电荷量QSC和短路电流ISC。

c）输出电流密度和功率密度随外部负载电阻的变化。

d）ICE–iTENG在初始状态和不同拉伸状态的照片。

e）与乳胶膜接触分离运动时相应的输出VOC。

图3 ICE-iTENG的耐用性

a）ICE和PAAm-LiCl水凝胶的热重测量。

b）水凝胶-iTENG和ICE-iTENG在100℃烤箱中的重量保持率。插图为ICE和PAAm水凝胶的原状，并在100℃下保存5小时后。

c）比较水凝胶-iTENG和ICE-iTENG在原样状态下以及在100℃下存放15 h后的VOC。

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

e）在与尼龙薄膜接触分离的情况下，在不同温度下测得的ICE-iTENG的归一化VOC值（在20℃下归一化为VOC）。

f）ICE-iTENG在室温下存放5个月前后的VOC比较。

图4 ICE-iTENG的生物力学能量收集

a,b）利用从ICE-iTENG收集的能量为电子设备供电的a）照片和b）自充电系统的等效电路。

c）用于电子表供电的ICE-iTENG充电的2.2 -µF电容器的电压曲线。

图5 ICE-iTENG进行压力感测

a）表面带有三角棱镜的Eco-flex的示意图（比例尺：1 cm）。

b）ICE-iTENG传感器的方案（比例尺：1 cm）。

c）电压峰值振幅随接触压力的变化。插图：ICE-iTENG触觉传感器的照片（面积3×3 cm²）。

d）作为触觉传感器的ICE-iTENG在六个不同压力下的典型电压曲线。

e）使用ICE-iTENG压力传感器监测人类活动。

【小结】

总之，设计了一种基于ICE的新型iTENG。合成的ICE-iTENG在-20 ~ 110℃的宽温度范围内显示出高透明度、高拉伸性和稳定的电气性能。此ICE-iTENG完全避免了液体溶剂的脱水或蒸发，并且ICE在约335℃的温度下是热稳定的。 即使在100℃的温度下存放数小时，ICE-iTENG的电气性能也不会降低，这对于下一代可拉伸电源来说是非常理想的。团队展示了ICE-iTENG进行的有效生物力学能量收集，表明了其在自供电电子产品中的巨大应用潜力。此外，通过在摩擦电材料表面构造三角金字塔结构，实现了高灵敏度的透明压力传感器。 ICE-iTENG传感器的灵敏度为2.871 kPa^-1，检测压力极限低至940 Pa。

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

本文由木文韬编辑。

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