Nano Energy：基于纳米结构的柔性可编织摩擦纳米发电机及其在自驱动可穿戴器件的应用

【引言】

柔性摩擦电纳米发电机（TENG）因其结构多样、制造工艺简单、成本低、材料选择范围广、输出潜力大等优点，在人体动能采集和自供电传感器方面具有广泛的应用价值。表面电荷密度对TENG的输出电压、短路电流和功率密度起着至关重要的作用，已成为衡量器件工作性能的指标。为提高TENG的摩擦电荷密度，人们采取了多种改善方法，理论上主要依据两方面：（1）选择电负性差别较大的摩擦材料，（2）提高摩擦材料的有效接触面积。由于摩擦电荷密度在很大程度上取决于介电材料的介电性能，因此，研发并优化具有高输出性能和介电性能的摩擦电材料是提高柔性TENG器件的有效途径。

【成果简介】

近日，暨南大学唐群委团队基于聚二甲基硅氧烷/聚偏二氟乙烯（PDMS / PVDF）复合薄膜（PPCF），制备了基于纳米褶皱结构的柔性可编织摩擦纳米发电机（FW-TENG）。通过系统研究和优化复合薄膜的介电性能、厚度和表面结构，获得了瞬时最大功率密度为832.05 mW/m²；此外， FW-TENG在可穿戴器件应用中具有出色的结构保持能力和抗疲劳性。通过膝盖弯曲、手臂摆动和肘部弯曲运动测试，FW-TENG成功实现了自供电输出，可以持续驱动70多个LED灯。另外，FW-TENG与不同材料的织物衣服相互作用表现出较强的适应性与兼容性，表明其作为可穿戴电子设备用于机械能采集、压力传感和人体动能采集等方面的巨大应用潜力。相关成果以题目“Nanowrinkle-Patterned Flexible Woven Triboelectric Nanogenerator toward Self-Powered Wearable Electronics”发表在Nano Energy杂志上，第一作者为联合培养硕士生刘利强同学，杨希娅副教授、山东滚球体育 大学杨前明教授和唐群委教授为共同通讯作者。

【图文简介】

图1 PDMS / PVDF复合薄膜表面特征

（a，d，g）纯PDMS薄膜，（b，e，h）浓度为6 wt％的PPCF复合薄膜和（c，f，i）纳米褶皱结构修饰的PPCF复合薄膜的SEM、AFM以及表面润湿性能表征。

图2 FW-TENG的工作机理示意图

（a1-a4）FW-TENG的工作原理示意图；

（b1-b3）利用多物理场仿真模拟软件对FW-TENG不同状态下的电势分布进行数值模拟；

（c，d）一个周期内FW-TENG产生的V_oc、I_sc和Q_sc输出信号。

图3 PVDF浓度对FW-TENG输出性能影响

（a，b）PVDF浓度为0至20 wt％时V_oc、I_sc和Q_sc的输出性能比较和平均值统计；

（c）在10²~10⁶Hz频率范围内，不同PVDF浓度的PPCF介电常数；

（d）不同PPCF厚度与FW-TENGs电学输出性能之间的关系；

（e，f）最佳PVDF浓度6 wt％与最佳PPCF厚度为2 mm且PVDF浓度为6 wt％的FW-TENG之间的电压和电流、功率输出比较。

图4 不同表面形貌的FW-TENG输出性能比较

（a）不同表面微观形貌结构修饰（包括圆柱、立方、金字塔及纳米褶皱结构）的FW-TENG的输出性能表征；

（b）纳米褶皱FW-TENG在外部负载电阻为10 Ω~900 MΩ时的功率输出性能；

（c）FW-TENG在0.5 Hz的接触频率下的充电行为；

（d）最佳FW-TENG在2200次循环后电压输出的稳定性和耐久性测试；

（e）不同FW-TENG器件构成、浓度、厚度与表面形貌修饰比较；

（f）四种FW-TENG之间的固有输出特性和瞬时最大功率密度比较。

图5 可编织结构FW-TENG的结构与可穿戴应用

（a）双面接触-分离式编织FW-TENG结构示意图；

（b，c）双面接触-分离式编织FW-TENG结构与工作原理图；

（d）手指敲击测试与压力传感应用；

（e）电压输出与手指施加压力之间关系；

（f，g，i，j）FW-TENG在人体动能采集中的应用，如膝盖弯曲、弯曲角度测试、手臂摆动和肘部弯曲；

（h）不同布料对FW-TENG输出性能的影响；

（k）FW-TENG点亮LED灯和驱动电子计时器等小型电子器件的应用。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520303542