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Nano Energy:基于納米結構的柔性可編織摩擦納米發電

添加人:材料人 發布時間:2020-4-21 10:49:51 來源:微信公眾號

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。
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。
(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。
(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Voc、Isc和Qsc輸出信號。
(a,b)PVDF濃度為0至20 wt%時Voc、Isc和Qsc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。
(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。
(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。
 

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