Adv. Funct. Mater：基于PLA壓電和駐極體的生物相容性混合納米發電機應用于E皮膚

【背景介紹】

目前，可穿戴的智能織物（電子皮膚）可以將人類的運動轉換為電信號，并使用這些信號來給便攜式電子設備充電，被廣泛的研究。近年來，基于電容、靜電效應等工作原理開發了各種類型的電子皮膚設備。其中，基于靜電和壓電的電子皮膚（E皮膚）設備具有易制造、靈敏度高和自供電特性等優點，在未來的人機界面（HMI）設備中具有廣闊的前景。如今，駐極體材料已廣泛應用于換能器、能量收集裝置等領域。其中，駐極體材料的極性主要是由電暈充電器在高直流電壓下注入的氣泡或空間電荷引起的，這些電荷或偶極子表現為壓電性。同時，駐極體材料中的摩擦電荷和注入電荷的耦合有利于增強靜電感應。因此，或許可將駐極體納米發電機與摩擦電動納米發電機結合用于電子皮膚領域。此外，聚（L-乳酸）（PLLA）作為廣泛使用的壓電聚合物之一，是通過L-乳酸單體的聚合而合成，可用于智能織物、過濾裝置等領域。同時，可拉伸PLLA聚合物的分子結構具有31個螺旋結構的β型晶體構象，有助于PLLA材料有大的熱穩定性和壓電性。同時，PLLA具有非熱電性，對于在電子皮膚應用中區分壓力信號和熱信號至關重要。

【成果簡介】

基于此，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所任凱亮研究員和王中林院士（共同通訊作者）聯合報道了基于非壓電介孔聚乳酸（meso-PLA）駐極體型摩擦電納米發電機（NG）的高輸出電壓與雙層聚乳酸（PLLA）的高輸出電流相結合的壓電納米發電機（PENG），應用于電子皮膚（E皮膚）HMI設備。具有懸臂結構的混合NG可以在19.7 Hz的共振頻率和4.71 g的尖端負載下產生70 V的輸出電壓和25 A的輸出電流。同時，混合NG的輸出功率達到0.31 mW，比基于PLLA的PENG的輸出功率高11％。此外，基于PLA的混合NG可以在彎曲測試期間通過能量管理電路用于打開或關閉發光二極管的光。最后，基于PLA的可穿戴電子皮膚設備在肘部彎曲測試期間可以生成35 V（V_oc）和1 μA（I_sc）的輸出信號。總之，該混合NG設備具有生物相容性、易于制造和相對較高的輸出功率的優點。該研究成果以題為“Biocompatible Poly(lactic acid)-Based Hybrid Piezoelectric and Electret Nanogenerator for Electronic Skin Applications”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、混合納米發電機（NG）的示意圖和工作機理
（a）混合NG的示意圖；

（b）具有三角波形的E-TENG設備的放大示意圖；

（c）混合氣體NG在其初始狀態下的電荷分布示意圖；

（d）混合氣體NG在壓縮模式下的電荷分布示意圖；

（e）混合氣體NG在彎曲模式下的電荷分布示意圖；

（f）混合NG的初始狀態和彎曲狀態的照片。

圖二、混合NG的工作原理
（a-b）混合NG的壓縮測試：a）短路電流和b）開路電壓；

（c-d）混合NG的彎曲測試：c）短路電流和d）開路電壓。

圖三、E-TENG設備的壓縮測試
（a）具有各種波形的基于單層meso-PLA駐極體的E-TENG裝置示意圖：i）三角波形、ii）梯形波形和iii）矩形波形；

（b-c）具有短路電流和2 Hz各種結構的E-TENG的開路電壓的作用力相關性；

（d）在20 N的脈沖力和4 Hz的頻率下，E-TENG的輸出電壓和輸出功率的負載電阻依賴性。

圖四、混合NG的彎曲測試
（a）雙層PENG（DL-PENG）設備的工作機制；

（b）在4.71 g的尖端負載下，DL-PENG的輸出電壓和相應輸出功率的頻率依賴性；

（c）在19.7 Hz的共振頻率和4.71 g的尖端負載下，DL-PENG的輸出電壓和相應輸出功率的負載電阻依賴性；

（d）在尖端負載為4.71 g時，E-TENG的短路電流和開路電壓的頻率相關性；

（e）在共振頻率為19.7 Hz和尖端負載為4.71 g時，E-TENG的輸出電壓和相應輸出功率的負載電阻依賴性。

圖五、混合NG的輸出性能
（a）E-TENG、PENG和混合NG的短路電流；

（b-d）PENG、E-TENG和混合NG的開路電壓；

（e）在19.7 Hz的共振頻率和4.71 g的尖端負載下，混合NG的輸出電壓和相應的輸出功率作為負載電阻的函數；

（f）所有納米發電機的電容充電曲線，其中一個4 μF電容器已充電。

圖六、生物相容性編織E皮膚設備
（a）i）PENG編織、ii）E-TENG編織和iii）NG編織的照片；

（b）編織的PENG和E-TENG的示意圖；

（c）肘部測試過程中混紡NG的圖片；

（d-e）在肘部測試過程中，編織混合NG的短路電流和開路電壓的測量結果。

【總結】

? ? ? ? 綜上所述，作者提出了一種生物相容的混合納米發電機，該發電機包括壓電PLLA薄膜和基于meso-PLA駐極體的摩擦納米發電機。在壓縮恢復模式下，E-TENG在匹配電阻為6 MΩ時表現出7 W m^-2的輸出功率密度，在彎曲模式下表現出65.3 mW m^-2的最大功率密度。此外，將非壓電meso-PLA駐極體型PENG的高輸出電壓與雙層基于PLLA的PENG的高輸出電流相結合，用于E皮膚HMI設備。生物相容性混合NG可以在19.7 Hz的共振頻率和4.71 g的尖端負載下產生70 V的輸出電壓和25 A的電流。此外，基于PLA的混合NG可在彎曲測試期間通過能量管理電路打開和關閉LED燈。基于PLA的編織電子皮膚設備在肘部彎曲測試期間可以生成35 V（V_oc）和1 μA（I_sc）的輸出信號。總之，該型混合NG設備為未來的E皮膚應用提供了廣闊的前景。

文獻鏈接：Biocompatible Poly(lactic acid)-Based Hybrid Piezoelectric and Electret Nanogenerator for Electronic Skin Applications（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908724）

通訊作者簡介

任凱亮，男，中科院北京納米能源與系統研究所研究員，博士生導師，中組部青年千人計劃入選者, 北京市海聚工程專家。1997年獲得天津大學電子工程系本科學位，2007年獲得美國賓夕法尼亞州立大學電子工程系博士學位。2009-2014，先后在美國賓夕法尼亞州立大學，約翰霍普金斯大學任博士后及助理研究科學家等工作。從2015年起擔任中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員。他在聚合物介電材料、陶瓷/聚合物納米復合材料、利用壓電聚合物進行可穿戴能量收集材料等領域做出了具有國際影響力的重要研究成果。包括布萊葉盲文驅動器，基于壓電聚合物的能量收獲器件，基于MEMS的紅外以及生物傳感器，以及聚合物納米纖維傳感器等。

任凱亮博士在國際著名期刊上，包括Science，Advanced Materials; Nano Energy, Advanced Functional Materials; Applied Physics Letters; IEEE Transactions等發表論文50篇，并有授權美國專利2篇，中國專利申請10篇。任凱亮的文章被引用次數超過2800余次，h-index為21。另外，任凱亮博士擔任的社會職務包括電子元器件關鍵材料與技術專委會資深委員，天津大學微電子學院校友會常任理事等職務。同時，任凱亮博士還擔任國際雜志的審稿人，比如Nature Communications, Nano Energy, Applied Physics Letters, ACS Applied Materials & Interfaces 等。

本文由CQR編譯。

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