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新加坡南洋理工大学Pooi See Lee《Nano Energy》:机械

能源环保    2021-09-18 17:07

考虑到传统电池需要重复充电的有限寿命和污染问题,摩擦电动纳米发电机(TENG)可通过摩擦电动化和静电感应将分布的机械能转化为电能,在便携式电源,自供电传感器等可穿戴应用中显示出优越性和电子皮肤。基于纺织品的TENGs取得了重要进展,以实现生物机械能的采集,以及连续、实时和无创的健康监测。TENG的机械柔韧性和可拉伸性对于无缝集成可穿戴应用越来越重要。弹性聚合物,例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA),已广泛用于制造可拉伸TENG。但是,这些弹性橡胶是气密性的,对于长期可穿戴的电子产品,可能会引起皮肤不适甚至引起发炎。

基于以上研究,近日,新加坡南洋理工大学Pooi See Lee团队提出了一种物理互锁策略,通过同时静电纺丝聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)和电喷雾苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS),来实现自互锁可拉伸、透气和防水的纳米纤维膜。电喷雾SEBS微球用作弹性粘合剂和疏水改性剂,可增强电纺PVDF-HFP纤维网络的可拉伸性和防水性。利用由液态金属(镓铟锡颗粒)和银薄片组成的可印刷电极,研制出一种具有高摩擦电输出(85V,219.66 mW m-2)和电耐久性的可拉伸纳米纤维基TENG(SNF-TENG)。能够从人体运动和流水中收集能量,为200个商用LED和电子表供电。可拉伸纳米纤维膜表现出良好的机械柔顺性,可以轻松地衔接到可拉伸纺织品上以制备纺织品-TENG,其有望在电源、智能雨衣、自供电电子皮肤和触觉交互界面等方面实现舒适的可穿戴应用。相关研究成果以“Mechanically interlocked stretchable nanofibers for multifunctional wearable triboelectric nanogenerator”为题目发表于国际期刊《Nano Energy》上。

 

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图1.基于TENG(SNF-TENG)的自互锁可拉伸纳米纤维的结构和性能。(a)SNF-TENG的制备过程示意图。(i)电喷雾以组装SEBS膜,(ii)在SEBS膜上丝网印刷可拉伸电极,(iii)在导电SEBS膜上同时沉积PVDF纳米纤维和SEBS微球。电极图案显示了这种原位沉积和组装技术在制备具有所需几何形状的SNF-TENG时的可行性。(b)设计的SNF-TENG的结构具有类似三明治的结构。(c)SNF-TENG的横截面SEM图像和表面形态。(d)基于PHS的SNF-TENG的循环拉伸性能。(e-g)展示SNF-TENG拉伸性、柔性、疏水性和可洗性的照片。

组装一个三明治式SNF-TENG,由于原位互锁沉积技术(图1c),三层彼此紧紧粘附在一起,从而确保了175 µm厚的SNF-TENG具有良好的可变形性和耐久性。施加在PVDF-HFP纳米纤维上的这种互锁结构可以借助软弹性SEBS有效地调节拉伸应力分布,该SEBS通过在应变状态下吸收更多能量来缓冲应力,赋予PHS膜高拉伸性和变形性。由于使用了相同的聚合物基体SEBS,因此可以实现弹性导体和基材层的完美融合。该设备在拉伸-加载-卸载循环测试(125%应变)下显示出良好的恢复能力,表明可拉伸的PHS膜可实现高能量消散(图1d)。

 

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图2.PHS膜的特性。(a)纯PVDF-HFP和PHS(30%PVDF-HFP,70%SEBS)膜的拉伸应力-应变曲线。(b)PHS膜(30%PVDF-HFP,70%SEBS)的循环拉伸应力-应变曲线。(c)PHS膜的拉伸机制示意图。橙色线代表PVDF-HFP纳米纤维,浅绿色圆圈或椭圆形代表SEBS微球。(d)在(I)0%,(II)50%,(III)100%,(IV)150%和(V)200%应变下PHS膜(30%PVDF-HFP,70%SEBS)的照片和SEM图像。(e)不同应变下PHS膜(30%PVDF-HFP,70%SEBS)的静态水接触角(WCA)。(f)PVDF-HFP、SEBS、PHS膜(30%PVDF-HFP,70%SEBS)和棉花的水蒸气透过率。

PHS膜的可拉伸性、疏水性和透气性

图2a中显示了30%PVDF-HFP/70%SEBS膜(〜490%)比PVDF-HFP纳米纤维膜(270%)更高的拉伸应变。因此,很明显,SEBS微球互锁的PVDF-HFP纳米纤维网络可以有效地增强PHS膜的稳定性,可拉伸性和可变形性。

PHS膜由随机嵌入卷曲的PVDF-HFP纳米纤维内的SEBS微球组成(图2d(I))。 一旦膜被拉伸(〜50%),随机的PVDF-HFP纳米纤维首先沿拉伸方向被拉紧(图2d(II)),从而维持了大部分散布在PHS内部和表面的张力。

在拉伸过程中,SEBS微球作为粘合剂起着重要作用,有效地限制了PVDF-HFP纳米纤维的物理滑动。由SEBS微球构成的弹性网络能够消除拉伸应力,从而很好地恢复拉伸后的纳米纤维膜的形状。因此,具有共同沉积的纳米纤维和弹性微球的结构的PHS膜显示出比通常制造的电纺纳米纤维更好的拉伸性。

 

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图3.SNF-TENG的弹性导体性能和摩擦电性能。(a)展示弹性导体的柔性。(b)印刷在SEBS基板上的弹性导体的电阻-应变曲线。(c)在150%拉伸应变下的2000次循环期间弹性导体的稳定电阻。(d)SNF-TENG的工作机制。(e)在不同拉伸应变状态下SNF-TENG的输出性能。(f)SNF-TENG在不同作用力下的输出性能。(g)在不同的电阻负载条件下(P=I2R),SNF-TENG的电压和瞬时峰值功率密度的关系。(h)SNF-TENG在连续测量下的输出耐久性。

作者展示了SNF-TENG,它能够以高产量和出色的耐用性来收集水能。图4a所示的液-固摩擦带电的工作机理与机械能的收集相似,它依赖于水滴与PHS膜之间的接触带电和静电感应过程,疏水表面使水滴快速滑落并滑落。避免形成残留的液膜,这样可以在每个循环中完全转移电荷,并确保器件的高输出性能。还研究了水驱动SNF-TENG在不同拉伸应变状态下的性能。在125%应变下,输出电压达到约45 V(高于在0%应变下为20 V的电压),这主要归因于器件在应变状态下的有效面积增加。SNF-TENG的耐用性为水能采集器提供了可靠的输出,使其可以连续工作。

 

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图4.SNF-TENG在水驱动模式下的性能。(a)SNF-TENG的水能收集机制。(b-c)SNF-TENG在拉伸应变条件下用于收集水能的输出性能。(d)SNF-TENG的输出耐久性。(e)SNF-TENG在延长洗涤15小时前后的输出性能。(f)在100%应变下,在水流下驱动40个LED阵列的SNF-TENG。(g)发电的智能雨衣。

SNF-TENG可以消除人体运动的机械能,如图5a用手以0%和50%的应变敲击SNF-TENG(4.5×4.5 cm2面积)时,可以轻松点亮200个LED阵列(图S25)。基于图5b所示的等效电路,可以收集并存储所产生的电能以为不同的便携式电子设备供电,其中,整流桥和电容器分别用于交替SNF-TENG输出并存储电能。

 

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图5.SNF-TENG和纺织品-TENG作为电源或传感器。(a)通过敲击SNF-TENG驱动(4.5×4.5cm2)200个LED阵列。(b)SNF-TENG用作电子设备电源的电路图。(c)SNF-TENG作为电源,可为33μF电容器充电,从而为电子表供电。(d)SNF-TENG的可拉伸性演示。(e)不同手指动作下SNF-TENG的特征输出信号(1.5×4.5cm2)。(f)纺织品-TENG(1.5×4.5cm2)在0%和25%应变下的输出性能。(g-h)展示了基于纺织品-TENG的触觉交互界面,该界面能够映射不同的触摸事件。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105358