Advanced Functional Materials:可拉伸和形状自适应的摩擦纳米发电机与人机交互

随着人工智能和5G通讯的技术进步,促进了可穿戴电子器件的飞速发展,其在物联网、电子皮肤和人类健康监测等领域得到了广泛应用。然而,目前最先进的能源器件都无法与可穿戴的柔性电子器件实现兼容性。因此,发展可拉伸和形状自适应的能源器件具有重要意义。然而,目前报道工作主要利用银纳米线、碳纳米管等固体材料作为电极与柔性基体材料(如聚二甲基硅氧烷,硅橡胶等)作为摩擦层构建柔性摩擦纳米发电机,这些器件在未发生形变时可以很好的收集人体机械能,但是当这类器件受到外界应力而发生形变(包括扭转,拉伸,折叠)时,由于高的杨氏模量极易造成不可逆的损伤,电阻值急剧变大从而极大降低器件输出性能,而利用水凝胶、电解质水溶液(如氯化钠水溶液)等构建的摩擦纳米发电机在长期使用的过程中存在水分蒸发、晶体析出、电极电阻值升高导致器件失效的问题,此外,利用液态金属作为工作电极虽然可以克服上述缺陷,但是液态金属具有毒性以及制备复杂成本较高,在空气中极易氧化,阻碍了其在摩擦纳米发电机上的广泛应用。

因此,河南大学王新教授课题组首次提出利用液体电解质(碘化钾甘油溶液)为工作电极构建了柔性可拉伸的摩擦纳米发电器件用于人体机械能的收集和人机交互的应用,实现了摩擦纳米发电器件的低成本、生物相容性和形状自适应等特性。该器件在单电极工作模式下展现了较高的电学输出性能:300 V的开路电压(Voc),17.5 mA m–2 的短路电流密度(Jsc)和2.0 W m–2 输出功率,且可以直接驱动超过150个商用LED灯,同时,在250%的拉伸应变下和10000次的重复接触分离运动后,器件仍保持稳定的输出性能而不衰减。该器件能够有效的收集人体运动机械能,包括手臂摆动、人体行走和拍打等,直接驱动可穿戴设备(电子表和计算器)工作,并且构建了基于该器件的可穿戴柔性触摸平板与人体运动监视器,成功实现了人机交互作用。该工作促进可穿戴电子器件的发展具有重要意义。