Advanced Functional Materials:一种非金属化可拉伸尼龙改性的高性能摩擦纳米发电机

自摩擦纳米发电机(TENG)的概念被提出以来,作为一种新型的能量采集策略,TENG在环境能源、人体运动能量收集及低功耗电子设备供电等方面具有广泛的应用前景。目前,科学家们已利用具有良好电荷转移能力的纯金属材料(银、铜、铝等)来设计大量的摩擦纳米发电机的正极材料。然而,由于金属较差的耐磨性,其表面微观结构很容易被破坏;更重要的是,使用这些金属制备摩擦材料,很难实现可拉伸特性,或者只能在特定维度实现拉伸;若采用常规的弹性聚合物实现器件的可拉伸能力,普遍存在输出性能低的问题。因此,总体上TENG仍然不能满足可穿戴设备的需求。

中北大学丑修建教授课题组,综合考虑材料的电学性能和力学性能,选择硅胶作为基体来制作可拉伸TENG,通过分步混合、一次成型工艺,设计了一种可拉伸尼龙改性摩擦纳米发电机(NM-TENG)。将具有导电功能的镀银玻璃微球混入具有高拉伸性能的高温硫化型硅胶中制成可拉伸硅胶电极(SSE),用于收集和转移摩擦电荷。摩擦材料对由表面嵌入尼龙微粒的SSE(N-SSE)和表面覆盖纯硅胶的SSE(PS-SSE)组成。本方案中,材料柔性化降低了因刚性接触而产生的表面磨损,同时,材料维度的降低解决了高效能材料(尼龙)的不可拉伸难题。

在不采用纯金属材料的情况下,NM-TENG具有良好的可拉伸特性(120%)的同时,还具有优秀的输出性能。在接触分离模式下,5×6 cm2面积的NM-TENG峰峰开路电压和峰峰短路电流分别可达1.17 kV和138 μA,最大瞬时功率可达33.8 mW(~11.2 Wm-2),可以直接驱动480个LED,以及低功耗电子表(图2)。由于良好的电学和机械特性,NM-TENG不仅可以作为能源采集器件为低功率电子设备提供电能,而且还可以作为传感器监测一定条件下的机械运动,在可穿戴电子及智能制造等领域具有广阔的应用前景。此外,得益于一次成型制备工艺,电极层和功能层可采用相同的基体材料,提升了界面的可靠性,使得NM-TENG可被裁切成任意形状,具有更广的应用范围。

本研究为高性能可拉伸摩擦电纳米发电机的设计和制造提供了一种简单、快速、能批量化生产的思路,对柔性电子的发展具有重要参考价值。

该研究成果发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201907414)上,论文题目为A Non-metallic Stretchable Nylon-modified High Performance Triboelectric Nanogenerator for Energy Harvesting。第一作者为中北大学钱冀超研究生,通讯作者为中北大学丑修建教授和何剑副教授。