Adv. Mater. 王中林-具有機械耐久性、超彈性的納米發電機

【成果簡介】

能夠變成所需形狀的電子模塊，如柔性、可折疊，甚至可拉伸的電子產品，被認為是將來的下一代電子產品。盡管許多關于可變形電子的研究已經成功展示了各種電子元件，但是性能可靠和可持續的電源仍然是最重要的問題之一。

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）等人受電鰻皮膚的啟發，設計研發了一種機械耐久性、超彈性的納米發電機。2016年9月28日，該研究成果以題為“Electric Eel-Skin-Inspired Mechanically Durable and Super-Stretchable Nanogenerator for Deformable Power Source and Fully Autonomous Conformable Electronic-Skin Applications”發表在Advanced Materials上。鰻魚皮膚同時具有柔軟的特點和受到周圍環境的攻擊或激怒時產生電力的能力。柔軟度、體/形兼容性和發電能力是電鰻魚皮的顯著特征和特殊特性。為追求上述屬性，王中林院士首次提出了利用摩擦電效應的本質機械耐久性和彈性發電機，即皮膚摩擦納米發電機（SLTENG）。SLTENG是通過由可從觸摸接觸中發電，而無論使用者的各種極端變形要求，如極端的全方位伸展超過300%，多維扭曲和褶皺的內在彈性元件組成實現的。

【圖文導讀】

圖1 受電鰻皮膚啟迪的納米發電機

a）受電鰻皮膚啟迪的納米發電機概念說明圖

b）制作流程示意圖

c）制備好的器件SEM側視圖

d）在不同機械變形（扭曲、折疊、拉伸）下的器件

e）發電機理示意圖

f、g、h）納米發電機的開路電壓Voc、轉移電荷密度σtr、短路電流密度Jsc

i）瞬時電源密度與外部負載關系

j）連續循環測試900、1800、3600后的短路電流密度Jsc

k）當該裝置被觸摸時，可同時點亮32盞led

圖2 納米發電機在不同變形甚至受損下的性能評估

a）左圖：照片表明，該裝置在長軸方向極度受拉下仍能完美實現功能，可驅動負載；右圖：長軸方向受不同拉力下的Jsc

b）左圖：照片表明，該裝置在短軸方向受拉下仍可驅動負載；右圖：短軸方向受不同拉力下的Jsc

c）左圖：照片表明，該裝置在扭曲下仍可驅動負載；右圖：不同程度扭曲下的Jsc

d）左圖：照片表明，該裝置在多次折疊下仍可驅動負載；右圖：不同折疊次數下的Jsc

e）左圖：照片表明，該裝置在遭受嚴重撕裂損失仍可驅動負載及保持其可拉伸性；右圖：在被剪、拉下的Jsc

圖3 實驗測得Voc、σtr、Jsc

a、b）不同拉力下所測得的開路電壓Voc、轉移電荷密度σtr

c）不同拉力下統計所得的開路電壓Voc、轉移電荷密度σtr

d）重復拉伸至150%下的短路電流密度Jsc

e）泊松效應示意圖

圖4 雙軸拉伸下、各種非平面物體下發電功能展示

a）照片表明，SLTENG在極度雙軸拉伸下驅動負載

b）照片表明，SLTENG在完全包裹半徑為2cm的小球體的情況下驅動負載

c）照片表明，SLTENG在共形貼于球的情況下驅動負載

d）照片表明，SLTENG在包裹管子的蓋子的情況下驅動負載

e）照片表明，輕敲被穿戴在前臂上的SLTENG可持續給商業智能手表供電

f）電源管理裝置與商業智能手表間的電容在輕敲下的充電曲線

圖5 完全自主、高度整合電子皮膚系統展示

a）完全自主自驅動電子皮膚系統圖。LED與SLTENG單元為一一對應關系

b）照片表明，自主電子皮膚系統共形粘貼在手臂上，電子皮膚單元對應的LED被點亮。值得注意的是，該系統無額外電源

c）照片表明，自主電子皮膚系統共形粘貼在籃球上，電子皮膚單元對應的LED被點亮

文獻鏈接：Electric Eel-Skin-Inspired Mechanically Durable and Super-Stretchable Nanogenerator for Deformable Power Source and Fully Autonomous Conformable Electronic-Skin Applications（Adv. Mater.， 2016，DOI: 10.1002/adma.201603527）

本文由材料人電子電工學術組李小依供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com。