东华大学：高度可拉伸，透明，耐用的摩擦纳米发电机

来源：材料与测试

摩擦纳米发电机（TENG）已被开发为高效且可持续的电源，可将机械能转化为电能。目前已经进行了相当多的研究来开发可以收获各种形式，尤其是来自人体运动的能量的机械能的柔性TENG的可穿戴设备。特别是，由于可穿戴设备符合柔软的人体组织和频繁的人体运动而不会降低设备性能，并且透明度有助于视觉传输信息的潜在应用。因此，柔软、可拉伸和透明的TENG在可穿戴电子产品中显示出巨大潜力。

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟等人在Nano Energy上发表了一篇题为“Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range”的文章。他们提出了一种基于离子凝胶的摩擦纳米发电机（I-TENG），具有高拉伸性（> 400%），透明度和宽温度耐受范围（-20至100°C）。含有离子液体[1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺（[EMI] [DCA]））的离子凝胶通过紫外光聚合3-甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）铵丙烷磺酸盐（DMAPS）和丙烯酸一步制备。过硫酸铵作为光引发剂。离子凝胶网络由DMAPS部分上的侧链两性离子官能团之间的偶极-偶极相互作用以及离子液体离子和离子化基团之间的离子-偶极相互作用构成。所制备的离子凝胶表现出高拉伸性（~800%），透明性和离子导电率。离子凝胶与聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜组成的I-TENG在负载电阻为10MΩ时的峰值输出功率为1.3 W m-2。此外，I-TENG具有优异的抗疲劳和耐久性能，其电输出性能至少稳定一个月。I-TENG可以从各种人体运动中获取机械能，并作为自供电的人体运动传感器。更重要的是，I-TENG能够在-20至100°C的宽温度范围内实现长期稳定的电输出和传感性能。

Paper_1图1 I-TENG的设计和离子凝胶的表征

（a）具有夹层结构的I-TENG；（b）离子凝胶和I-TENG的透明性；（c）I-TENG的透明度和不同的机械变形；（d）I-TENG共形地附着在手腕上；（e）离子凝胶和I-TENG的单轴拉伸试验。

Paper_2图2 I-TENG的工作机理和电输出性能

（a）I-TENG的工作机制；（b）开路电压VOC；（c）短路电流和短路电荷量Q（插图）；（d）不同接触面积的I-TENG输出电压；（e）I-TENG的输出电流密度和功率密度随外部负载电阻的变化；（f）I-TENG超过7000次循环的耐久性；（g）1000次100%应变循环前后I-TENG输出电压的比较。TENG处于初始状态和100％应变状态（插图）。

Paper_3图3 使用I-TENG进行能量收集

（a）I-TENG点亮40盏绿色LED；（b）以I-TENG为电源的4.7μF，10μF，22μF和47μF商用电容器的充电曲线；（c）自充电系统的图像和等效电路，其使用从I-TENG收集的能量来为电子表供电；（d）由I-TENG充电并用于为电子表供电的22μF电容器的电压循环曲线。

Paper_4图4 在30℃或100℃下相对湿度（RH）为30%的干燥环境中I-TENG与H-TENG稳定性比较

（a）H-TENG和I-TENG的实物图片；（b）TENG中水或离子液体的含量随时间的变化；（c）I-TENG和（d）H-TENG在不同时间点的开路电压；（e）离子凝胶和I-TENG的重量保留随时间的变化；（f）100℃下I-TENG的开路电压和短路电流随时间的变化。

Paper_5图5 水凝胶、离子凝胶和双电极I-TENG的低温耐受性照片

（a）水凝胶在-20℃下结冰易碎，而离子凝胶在-20℃下仍具有良好的拉伸性；（b）双电极I-TENG的示意图；（c）室温（R.T.）和（d）-20 ℃下，在不同弯曲角度下双电极模式下I-TENG的电压。

本文设计了一种基于离子凝胶的新型TENG，其在-20至100℃的宽温度范围内甚至在拉伸状态下，显示出高透明度，可变形性，耐久性和稳定的电输出性能。I-TENG展示了有效的生物力学能量收集和自供电生理监测，表明其在可穿戴电子设备，电子皮肤（E-skin），软机器人和人工智能中的巨大潜力。未来，研究人员将开发更高效的离子凝胶和相关密封材料，以改善I-TENG的各种性能，适用于各种应用。此外，可拉伸，柔软和透明的离子凝胶可以成为在各种条件下使用的其他电子设备（可拉伸超级电容器，软体感应驱动器，多功能传感器等）的理想电极和电解质材料，甚至在沙漠和雪原等恶劣条件下使用。

该论文的第一作者为东华大学博士生孙利杰，游正伟教授为该论文的通讯作者，管清宝副教授为论文的共同作者。该项工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等基金的资助。

文献链接：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）