中科院北京納米能源所王中林院士Nano Energy：由3D打印制成的三維超柔性摩擦納米發電機

【引言】

隨著可穿戴設備，人工智能和物聯網的快速發展，帶動了多功能柔性電子器件應用范圍及數量的飛速增長，例如被廣泛地集成在衣服或鞋子中，其中一些還附著在人體的受迫部位上。因此，對便攜式電源系統帶來了極大地挑戰，要求其擁有與之相匹配的形狀適應性和高柔性。由于固有轉換機理，傳統的電磁發電和硅基太陽能發電等很難實現高柔性。與此相比，基于柔性高分子材料的摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator,?TENG），通過耦合摩擦起電效應和靜電感應實現了機械能量收集并轉化為電能，已有報道指出，在較強外力作用下和形變過程中仍然能夠保持安全性、高效性和穩定性，這一點非常重要。基于以上描述，TENG作為自驅動超柔性電源顯示出巨大的研究潛力；同時其還具備結構簡單、材料選擇廣泛、成本低的實用價值。

【成果簡介】

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）的帶領下，課題組陳寶東博士后、唐偉副研究員和蔣濤副研究（共同一作）等人首次研究了一種實用的超柔性三維摩擦納米發電機（3D-TENG），它可以從低頻的生物運動中獲取能量并轉化為電能，來驅動電子器件或為其充電；更加重要的是，該發電設備是通過獨特的增材制造技術——混合3D打印實現的。不同于之前基于電介質薄膜作為摩擦電材料的TENG，這種超柔性3D-TENG使用打印的三維復合樹脂結構（具有1μm的高印刷精度）和離子水凝膠作為摩擦帶電層和電極，實現了TENG的超柔性三維發電結構和高密度集成。它可以應用于生物力學的能量收集（如通常小于3赫茲的人體運動），在約1.3Hz的低頻下，瞬時峰值功率密度達到了10.98W/m³，轉移電荷密度為0.65mC/ m³。此外，通過自組的自驅動可穿戴設備成功地展示了其實用性、創造性和新穎性，即野外自驅動LED閃爍和蜂鳴器SOS求救信號系統、自驅動智能LED照明鞋以及充電功能。相關成果以題為“Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1.超柔性3D-TENG的結構及其制造工藝

a）本研究中使用的混合3D打印系統的總體示意圖。

b）超柔性3D打印部件的數碼照片。

c）超柔性3D打印部件的SEM圖像。

d）超柔性3D-TENG的設計結構。

e）超柔性3D打印部件的超柔性展示。

圖2.?超柔性3D-TENG的工作原理及其輸出性能

a）超柔性3D-TENG變形過程的示意圖。

b）超柔性3D-TENG的工作原理示意圖。

c）數值計算了超柔性3D-TENG的電位分布特征。

d,g）在人體運動約為1.3Hz?條件下，超柔性3D-TENG輸出的開路電壓（V_oc）、體電流密度（J_sc）、體電荷密度（ρ_sc）以及體電流密度（J_sc）和體功率密度（P_v）與外部負載電阻的特性。

圖3. 結構參數對電輸出性能的影響

a）超柔性3D-TENG的結構和參數的示意圖。

b,c）分別為具有不同D（mm）的超柔性3D-TENG的V_oc，J_sc和ρ_sc。

d,e）分別為具有不同d（mm）的超柔性3D-TENG的V_oc，J_sc和ρ_sc。

圖4.?超柔性3D-TENG的壓縮比、規格和耐久性

a,b）分別為超柔性3D-TENG的測試過程及其數碼照片。

c.）不同壓縮比（%）下超柔性3D-TENG輸出的V_oc、J_sc和ρ_sc。

d）不同壓縮比（%）下超柔性3D-TENG輸出的P_v。

e,f）分別為不同規格（cm）下超柔性3D-TENG輸出的V_oc、J_sc、ρ_sc和P_v及其部分區域放大圖。

g）超柔性3D-TENG的耐久性測試。

圖5.?基于超柔性3D-TENG的自驅動電源系統

a）基于超柔性3D-TENG的自驅動SOS求救系統的應用圖示。

b）自驅動LED閃爍SOS求救系統的電路及透明柔性的藍色LED燈絲數碼照片。

c）自驅動蜂鳴器SOS求救系統的電路及其數字照片。

d）自驅動LED閃爍SOS求救設備（3.5cm×3.5cm×3.5cm）的數碼照片。

e,f）分別為自驅動LED閃爍SOS求救裝置壓縮前后的工作照片。

g）在22-μF負載電容下的充電電壓與充電時間關系曲線。

h）在工作電壓為1.5V和3V條件下，自驅動蜂鳴器SOS求救系統的工作頻率與求救信號周期的關系。

圖6.?可用于驅動低功耗商用電子器件和充電的便攜式自驅動電源系統

a）自驅動智能LED照明鞋應用場景插圖。

b,c）分別為自驅動智能LED照明鞋植入的超柔性3D-TENG等組件和成型后的數碼照片。

d）穿戴者走路時拍攝的自驅動智能LED照明鞋的視頻截圖。

e）充電電壓與負載電容之間的變化關系。

f）不同負載電容下的電壓-時間關系。

g）基于超柔性3D-TENG的便攜式自驅動電源系統驅動智能溫度傳感器及為電子手表充電的數碼照片。

h）便攜式自驅動電源系統為22-μF電容器充電的電壓變化曲線。

【小結】

這項研究中，該團隊開發出的超柔性3D-TENG及其革命性的制作方法——混合3D打印技術，獨特而鮮明，可有效避免層層結構制作工藝不便，保持往復運動不可避免的彈性支撐等問題。實現了TENG的超柔性三維發電結構和高密度集成，同時保持高度的靈活性和形狀自適應性，該工作所提出的結構設計理念和制作方法為新型TENG的制作提供了新思路。考慮到易于控制的3D打印制造工藝（微米級）和所用的常用樹脂材料，未來可以實現高精度，超復雜結構的大面積集成TENG。憑借創新的制造技術，人們可以預見可穿戴設備中基于超柔性3D-TENG的便攜式自驅動電源的巨大潛力，以及在人工智能和物聯網等方面的潛在應用價值。

文獻鏈接：Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.049?）

【團隊介紹】

王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal), 2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎,2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow, 美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機,并提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用85,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。

陳寶東博士后（第一作者）、唐偉副研究員和蔣濤副研究員（共同一作）等人為中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究組成員。

附：王中林院士個人成果網址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究組主頁：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

本文由材料人編輯部學術組木文韜編譯，論文第一作者陳寶東博士后修正供稿，點我加入材料人編輯部。儀器設備、試劑耗材、材料測試、

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