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这一篇Nano Energy教你利用静电纺丝技术开发新型编

能源环保    2021-09-18 17:26

近年来,由于柔性和可穿戴电子产品在柔性电路、无线传感器网络、人机界面、物联网、人造电子皮肤等应用中具有广泛的潜力,引起了人们极大的兴趣。同时,随着可穿戴电子设备的快速发展,对柔性、可持续的电源装置的需求也在不断增长。但是,传统化学电池的刚性复杂结构、重量大、积大、续充电/更换和使用寿命有限的局限性,因此无法满足可穿戴电子设备的要求。因此,开发具有结构简单、重量轻、能量转换效率高、材料选择灵活等优点的摩擦纳米发电机成为人们关注的热点。

电纺丝是一种多用途、极其简单和经济的技术,可以生产超细纤维,这些纤维具有许多独特的特性和性能,包括超长长度、大表面积、多级多孔结构和本质上的多孔性。静电纺丝是TENGs领域中一种合适的方法,可以用经济可行的材料,例如尼龙、聚偏二氟乙烯(PVDF)、制造具有纳米纤维表面微观结构的各种膜、聚四氟乙烯(PTFE)、离子凝胶等。然而,基于电纺纳米纤维的TENG仍然存在挑战。 首先,大多数基于纳米纤维膜的TENG具有类似三明治的多层结构,制造起来很复杂。其次,大部分纳米纤维拉伸需要两个独立的摩擦电膜来实现接触分离运动,这限制了纳米纤维拉伸的应用。第三,用于组装基于纳米纤维的TENG的材料,包括金属板电极,粘合剂/胶带,PET支撑基材,硅酮保护/封装层,严重降低了设备的柔韧性和透气性。 最后,多层平面结构不能有效地维持由身体运动引起的复杂变形,这对于在可穿戴设备中使用而言具有很大的不舒适性。

基于此,香港理工大学徐宾刚团队提出了一种利用简便、低成本、可扩展的

静电纺丝技术开发新型编织结构摩擦电纳米发电机(WS-TENG)的具体方法。以商用不锈钢纱线为芯,电纺PA66或P(VDF-TrFE)纳米纤维为壳,制成核壳纱,从而克服了复杂的问题。在独立模式工作原则下,由多种摩擦材料触发,WS-TENG的开路电压、短路电流和最大瞬时功率密度分别达到166V、8.5µA和93 mW/m2。所制备的WS-TENG具有较高的柔性、理想的透气性、良好的耐洗性以及出色的耐用性,可点亮58个串联的发光二极管(LED),为商用电容器充电并驱动便携式电子产品。缝有WS-TENGs的智能手套可用于检测不同情况下的手指运动。这项工作提出了一种制备自供电纺织品的新方法,该类产品在生物力学能量收集、可穿戴电子设备和人体运动监测方面具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Breathable, Washable and Wearable Woven-Structured Triboelectric Nanogenerators Utilizing Electrospun Nanofibers for Biomechanical Energy

Harvesting and Self-Powered Sensing”为题目发表于期刊《Nano Energy》上。

 

1、设计和制造的WS-TENG

图1a-f示意性地说明了通过电纺和传统编织技术构建WS-TENG的详细过程。首先,通过电纺丝分别制备了PA66和P(VDF-TrFE)纳米纤维毡(图1a)。其次,将纳米纤维毡切成条状,缠绕在SSY上,分别得到PA66-SSY和P(VDF-TrFE)-SSY芯鞘纱(图1b-d)。然后通过用手织机将PA66-SSY织成纬纱,将P(VDF-TrFE)织成经纱,从而制成机织结构纺织品(图1e)。最后,通过并联连接所有纬线/经线电极获得WS-TENG(图1f)。由于电纺纳米纤维表面的柔软性和SSY芯电极的柔韧性,WS-TENG保持了舒适性和生物相容性的优势。由于电纺纳米纤维层具有纳米纤维表面的微观结构、良好的柔软性、鲁棒的机械性能、优异的柔韧性和良好的生物相容性,因此被选作WS-TENG的介电材料。

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图1.(a-f)ESTENG的制备过程。(g)ESTENG的摄影图像。(h)SSL的SEM图像。电纺P(VDF-TrFE)/SSL表面的(i)低倍和(j)高倍放大SEM图像;(i)的插图是横截面图像。电纺PA66/SSL表面在(k)低和(l)高放大倍率下的SEM图像;(k)的插图是横截面图像。

 

2、WS-TENG的工作机制

为了阐明发电机理,WS-TENG的工作原理如图2a-f所示。 在垂直冲击力的作用下,外部物体将定期与WS-TENG接触并与之分离(图2a-b)。首先,在一个作用力作用下,独立橡胶膜与WS-TENG完全接触。由于橡胶膜、P(VDF-TrFE)和PA66具有不同的电子亲和性,摩擦起电效应会使PA66纳米纤维表面带正电荷,而与PA66接触的橡胶膜部分带负电荷。同时,P(VDF-TrFE)纳米纤维表面会带负电荷,与之接触的橡胶膜部分也会带负电荷P(VDF-TrFE)带正电荷,如图2c所示。当独立式橡胶膜开始从WS-TENG移开时,PA66和P(VDF-TrFE)层之间会产生电势差,从而驱动电子从P(VDF-TrFE)-SSY的内部电极流出,通过外部电路连接到PA66-SSY的内部电极,以平衡摩擦电势(图2d)。当独立式橡胶膜与WS-TENG之间的距离(d)最大时,达到静电平衡状态,并且电子停止流动(图2e)。随后,当驱动独立橡胶膜再次与WS-TENG接触时,原有的静电平衡状态被打破,电子从PA66-SSY的内电极回流到P(VDF-TrFE)-SSY的内电极(图2f)。当独立的橡胶膜再次与WS-TENG接触时,所有的感应电荷再次被中和(图2c)。因此,可以在自由层模式下产生周期性交流信号。

 

3、透气性

透气性是可穿戴纳米发电机在各种应用中最重要的性能之一,它将影响佩戴的舒适性。传统的三明治结构TENG(SS-TENG)的透气性较差(12.4±1.3 mm / s)。而采用相应的PA66和P(VDF-TrFE)电纺毡制得的玉米纤维透气性较好,为164±5 mm/s,可与商业棉(103±4 mm/s)和涤纶(144±5 mm/s)相比较。

此外,还研究了所得WS-TENG的水蒸气渗透性,这是可穿戴设备透气舒适性的另一个关键因素。 如图2m所示,由于交织纱线之间存在空隙,制成的WS-TENG的水蒸气透过率高达712±16 g / m2·24h,优于商用CNF(531 ±17 g / m2·24h),棉(517±18 g / m2·24h)和PET织物(478±15 g / m2·24h)。

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图2.(a-b)与橡胶膜接触的WS-TENG的示意图和(c-f)发电机理。(g-k)WS-TENG与不同独立层材料接触的摄影图像。(l)所制备的WS-TENG、传统SS-TENG和不同织物的透气性和(m)透湿性。(1)的插图是每种类型设备/织物的数码照片,尺寸为5cm×5cm。

 

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图3.(a)不同摩擦材料制备的WS-TENG的开路电压和(b)短路电流。(c)不同尺寸WS-TENG的开路电压和(d)短路电流。(e)WS-TENG在不同冲击力下的开路电压和(f)短路电流。(g)WS-TENG在不同频率下的开路电压和(h)短路电流。(i)WS-TENG的输出电压和电流与负载电阻的关系。(j)WS-TENG的瞬时功率密度与负载电阻的关系。(k)在20,000个连续工作循环下对WS-TENG进行耐久性测试。(l)WS-TENG在清洗不同次数之前和之后的电气性能。

 

4、WS-TENG的应用

所制备的WS-TENG具有柔韧、透气、耐洗、易被各种独立层材料触发等特点,在各种可穿戴应用领域具有广阔的潜力。为了展示其在获取生物力学能量和监测人体运动方面的灵活性和潜力,WS-TENG被固定在人体的各个位置,以从人体运动中获取能量。鉴于WS-TENG的每一个Voc峰值信号对应一个接触分离过程,如手臂摆动或腿部弯曲运动,利用这些峰值作为传感器触发信号,WS-TENG在人体运动监测中显示出了广阔的潜力,在个人健康监测中具有广阔的应用前景。

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图4.固定在人体不同位置的WS-TENG的图像和开路电压。(a-b)在手掌中,(c-d)在肘关节处,(e-f)在外侧肘部,(g-h)在手臂下方,(i-j)在膝盖关节处,(k-1)在脚下。

 

另外,为了展示其作为一种有用的电源和自供电传感器的应用潜力,作者对WS-TENG的能量收集、充电能力和人体运动传感潜力进行了研究。通过手轻拍WS-TENG,电能可以直接驱动58个连续连接led(图5a),用简单的桥式整流电路轻松为数字时钟(图5b)供电(图5d)。以上结果表明WS-TENG可以在各种人体运动下有效地产生电输出,并显示出为可穿戴电子设备供电的潜力。最后,将几个WS-TENGs(面积:~ 2cm2)拼接到一个商用针织棉手套上,制成智能纺织手套(图5c)。为了证明其检测手指运动的潜力,研究了在不同情况下的输出电压信号。测量结果证明了基于WS-TENG的纺织品传感器在实际应用中能够检测人体运动。

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图5.WS-TENG的实际应用:从手的拍打中获取机械能,用于(a)直接点亮约58个LEDs,(b)驱动电子表,以及(c)用于手指运动感应的智能手套。(d)自供电系统的等效电路。(e)在人手掌拍打的情况下,WS-TENG为2、4.7、22、100µF电容器充电的充电曲线。当(f)弯曲拇指并(g)按下食指时,智能手套记录的电压信号。(f)和(g)的插图显示了相应的数码照片。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105549