Advanced Functional Materials:可同时修复磨损与断裂的高拉伸摩擦纳米发电机

柔性电子例如人造皮肤、健康监测设备等,在可穿戴电子设备中具有广阔的前景。经过研究者们的努力,柔性电子器件的高拉伸性可以通过材料设计和制备工艺来实现。然而,该领域面临着一个很大的挑战,就是缺乏合适的柔性电源来给柔性电子器件供电。可拉伸摩擦纳米发电机(TENG)的诞生为柔性电子供电提供了一种有效的策略。然而,由于摩擦纳米发电机的工作机理限制,在发电过程中必然会发生不同程度的损坏,如拉伸断裂和摩擦磨损。这种损坏将会导致TENG的故障和输出性能的下降。因此,很有必要设计一种具有高拉伸性,并且可以修复断裂和磨损的摩擦纳米发电机。

图1. (a) US-TENG结构设计示意图;(b) US-TENG在不同频率下的电学输出;(c) US-TENG在不同应变下的示意图;(d) US-TENG 在不同应变下的电学输出。

苏州大学文震副研究员团队设计制备了一种具有高拉伸性(10000%)以及优异自修复性能的聚合物,并基于此聚合物制备了可以在室温下修复断裂和磨损的高拉伸摩擦纳米发电机(US-TENG)。在接触分离模式下工作,2×2 cm2大小的US-TENG的电学输出在短路转移电荷(Qsc)、开路电压(Voc)和短路电流(Isc)方面可以达到40 nC、140 V和1.5 μA。此外,在拉伸至初始长度的1800%后,US-TENG仍然能保持较高的电学输出。在拉伸断裂后,US-TENG可以在20分钟内实现修复,恢复电学输出;在摩擦磨损后,可以在2小时内实现修复,恢复电学输出。这种具有超高拉伸性和优异自修复性能的摩擦纳米发电机可以满足柔性可穿戴电子设备的长期广泛应用,促进了柔性电子设备的发展。

图2. (a) US-TENG拉伸断裂并修复的示意图;(b) US-TENG在拉伸断裂后的修复过程;(c) US-TENG磨损并修复的示意图;(d) US-TENG在磨损后的修复过程;(e) US-TENG在拉伸断裂后修复过程中的电学输出;(d) US-TENG在磨损后修复过程中的电学输出。

论文信息:

Abrasion and Fracture Self-Healable Triboelectric Nanogenerator with Ultrahigh Stretchability and Long-Term Durability

Jinxing Jiang, Qingbao Guan, Yina Liu, Xuhui Sun, Zhen Wen*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105380

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105380