Adv. Mater. 王中林-具有机械耐久性、超弹性的纳米发电机

【成果简介】

能够变成所需形状的电子模块，如柔性、可折叠，甚至可拉伸的电子产品，被认为是将来的下一代电子产品。尽管许多关于可变形电子的研究已经成功展示了各种电子元件，但是性能可靠和可持续的电源仍然是最重要的问题之一。

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）等人受电鳗皮肤的启发，设计研发了一种机械耐久性、超弹性的纳米发电机。2016年9月28日，该研究成果以题为“Electric Eel-Skin-Inspired Mechanically Durable and Super-Stretchable Nanogenerator for Deformable Power Source and Fully Autonomous Conformable Electronic-Skin Applications”发表在Advanced Materials上。鳗鱼皮肤同时具有柔软的特点和受到周围环境的攻击或激怒时产生电力的能力。柔软度、体/形兼容性和发电能力是电鳗鱼皮的显著特征和特殊特性。为追求上述属性，王中林院士首次提出了利用摩擦电效应的本质机械耐久性和弹性发电机，即皮肤摩擦纳米发电机（SLTENG）。SLTENG是通过由可从触摸接触中发电，而无论使用者的各种极端变形要求，如极端的全方位伸展超过300%，多维扭曲和褶皱的内在弹性元件组成实现的。

【图文导读】

图1 受电鳗皮肤启迪的纳米发电机

a）受电鳗皮肤启迪的纳米发电机概念说明图

b）制作流程示意图

c）制备好的器件SEM侧视图

d）在不同机械变形（扭曲、折叠、拉伸）下的器件

e）发电机理示意图

f、g、h）纳米发电机的开路电压Voc、转移电荷密度σtr、短路电流密度Jsc

i）瞬时电源密度与外部负载关系

j）连续循环测试900、1800、3600后的短路电流密度Jsc

k）当该装置被触摸时，可同时点亮32盏led

图2 纳米发电机在不同变形甚至受损下的性能评估

a）左图：照片表明，该装置在长轴方向极度受拉下仍能完美实现功能，可驱动负载；右图：长轴方向受不同拉力下的Jsc

b）左图：照片表明，该装置在短轴方向受拉下仍可驱动负载；右图：短轴方向受不同拉力下的Jsc

c）左图：照片表明，该装置在扭曲下仍可驱动负载；右图：不同程度扭曲下的Jsc

d）左图：照片表明，该装置在多次折叠下仍可驱动负载；右图：不同折叠次数下的Jsc

e）左图：照片表明，该装置在遭受严重撕裂损失仍可驱动负载及保持其可拉伸性；右图：在被剪、拉下的Jsc

图3 实验测得Voc、σtr、Jsc

a、b）不同拉力下所测得的开路电压Voc、转移电荷密度σtr

c）不同拉力下统计所得的开路电压Voc、转移电荷密度σtr

d）重复拉伸至150%下的短路电流密度Jsc

e）泊松效应示意图

图4 双轴拉伸下、各种非平面物体下发电功能展示

a）照片表明，SLTENG在极度双轴拉伸下驱动负载

b）照片表明，SLTENG在完全包裹半径为2cm的小球体的情况下驱动负载

c）照片表明，SLTENG在共形贴于球的情况下驱动负载

d）照片表明，SLTENG在包裹管子的盖子的情况下驱动负载

e）照片表明，轻敲被穿戴在前臂上的SLTENG可持续给商业智能手表供电

f）电源管理装置与商业智能手表间的电容在轻敲下的充电曲线

图5 完全自主、高度整合电子皮肤系统展示

a）完全自主自驱动电子皮肤系统图。LED与SLTENG单元为一一对应关系

b）照片表明，自主电子皮肤系统共形粘贴在手臂上，电子皮肤单元对应的LED被点亮。值得注意的是，该系统无额外电源

c）照片表明，自主电子皮肤系统共形粘贴在篮球上，电子皮肤单元对应的LED被点亮

文献链接：Electric Eel-Skin-Inspired Mechanically Durable and Super-Stretchable Nanogenerator for Deformable Power Source and Fully Autonomous Conformable Electronic-Skin Applications（Adv. Mater.， 2016，DOI: 10.1002/adma.201603527）

本文由材料人电子电工学术组李小依供稿，材料牛整理编辑。

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