Nano Energy：基于納米結構的柔性可編織摩擦納米發電機及其在自驅動可穿戴器件的應用

【引言】

柔性摩擦電納米發電機（TENG）因其結構多樣、制造工藝簡單、成本低、材料選擇范圍廣、輸出潛力大等優點，在人體動能采集和自供電傳感器方面具有廣泛的應用價值。表面電荷密度對TENG的輸出電壓、短路電流和功率密度起著至關重要的作用，已成為衡量器件工作性能的指標。為提高TENG的摩擦電荷密度，人們采取了多種改善方法，理論上主要依據兩方面：（1）選擇電負性差別較大的摩擦材料，（2）提高摩擦材料的有效接觸面積。由于摩擦電荷密度在很大程度上取決于介電材料的介電性能，因此，研發并優化具有高輸出性能和介電性能的摩擦電材料是提高柔性TENG器件的有效途徑。

【成果簡介】

近日，暨南大學唐群委團隊基于聚二甲基硅氧烷/聚偏二氟乙烯（PDMS / PVDF）復合薄膜（PPCF），制備了基于納米褶皺結構的柔性可編織摩擦納米發電機（FW-TENG）。通過系統研究和優化復合薄膜的介電性能、厚度和表面結構，獲得了瞬時最大功率密度為832.05 mW/m²；此外， FW-TENG在可穿戴器件應用中具有出色的結構保持能力和抗疲勞性。通過膝蓋彎曲、手臂擺動和肘部彎曲運動測試，FW-TENG成功實現了自供電輸出，可以持續驅動70多個LED燈。另外，FW-TENG與不同材料的織物衣服相互作用表現出較強的適應性與兼容性，表明其作為可穿戴電子設備用于機械能采集、壓力傳感和人體動能采集等方面的巨大應用潛力。相關成果以題目“Nanowrinkle-Patterned Flexible Woven Triboelectric Nanogenerator toward Self-Powered Wearable Electronics”發表在Nano Energy雜志上，第一作者為聯合培養碩士生劉利強同學，楊希婭副教授、山東科技大學楊前明教授和唐群委教授為共同通訊作者。

【圖文簡介】

圖1 PDMS / PVDF復合薄膜表面特征

（a，d，g）純PDMS薄膜，（b，e，h）濃度為6 wt％的PPCF復合薄膜和（c，f，i）納米褶皺結構修飾的PPCF復合薄膜的SEM、AFM以及表面潤濕性能表征。

圖2 FW-TENG的工作機理示意圖

（a1-a4）FW-TENG的工作原理示意圖；

（b1-b3）利用多物理場仿真模擬軟件對FW-TENG不同狀態下的電勢分布進行數值模擬；

（c，d）一個周期內FW-TENG產生的V_oc、I_sc和Q_sc輸出信號。

圖3 PVDF濃度對FW-TENG輸出性能影響

（a，b）PVDF濃度為0至20 wt％時V_oc、I_sc和Q_sc的輸出性能比較和平均值統計；

（c）在10²~10⁶?Hz頻率范圍內，不同PVDF濃度的PPCF介電常數；

（d）不同PPCF厚度與FW-TENGs電學輸出性能之間的關系；

（e，f）最佳PVDF濃度6 wt％與最佳PPCF厚度為2 mm且PVDF濃度為6 wt％的FW-TENG之間的電壓和電流、功率輸出比較。

圖4 不同表面形貌的FW-TENG輸出性能比較

（a）不同表面微觀形貌結構修飾（包括圓柱、立方、金字塔及納米褶皺結構）的FW-TENG的輸出性能表征；

（b）納米褶皺FW-TENG在外部負載電阻為10 Ω~900 MΩ時的功率輸出性能；

（c）FW-TENG在0.5 Hz的接觸頻率下的充電行為；

（d）最佳FW-TENG在2200次循環后電壓輸出的穩定性和耐久性測試；

（e）不同FW-TENG器件構成、濃度、厚度與表面形貌修飾比較；

（f）四種FW-TENG之間的固有輸出特性和瞬時最大功率密度比較。

圖5 可編織結構FW-TENG的結構與可穿戴應用

（a）雙面接觸-分離式編織FW-TENG結構示意圖；

（b，c）雙面接觸-分離式編織FW-TENG結構與工作原理圖；

（d）手指敲擊測試與壓力傳感應用；

（e）電壓輸出與手指施加壓力之間關系；

（f，g，i，j）FW-TENG在人體動能采集中的應用，如膝蓋彎曲、彎曲角度測試、手臂擺動和肘部彎曲；

（h）不同布料對FW-TENG輸出性能的影響；

（k）FW-TENG點亮LED燈和驅動電子計時器等小型電子器件的應用。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520303542