关键词:
电子纺织器件
摩擦电
摩擦材料
电极材料
可穿戴电源
自供能交互传感
摘要:
随着物联网和人工智能时代的到来,便携式可穿戴电子器件已逐渐融入日常生活中,正改变着人与人以及人与周围环境之间的交流方式,极大加速了人类社会与信息空间、物理世界的融合。多种多样的微型化功能电子设备的运行需要消耗大量电能,从几毫瓦到几十瓦不等。鉴于传统电池频繁更换及废弃处理有关的环境问题,直接将周围环境中原本浪费的机械能转化为可用电能的绿色摩擦纳米发电器件(简称为摩擦电器件,Triboelectric nanogenerator,TENG)将可能成为一种革命性的能源供给新模式。人体本身是便携式可穿戴电子设备的应用终端,通过直接穿戴在肢体或附加在衣物表面的摩擦纳米发电器件能够有效采集丰富的人体运动机械能实现电力供应,即可解决智能可穿戴纺织品的功能问题,又能较好与人体兼容,保证穿戴舒适性能。所以,将纺织材料或纺织技术与先进的TENG结合开发新型电子纺织品,即纺织摩擦电器件,不仅可基本保留织物的柔软舒适等穿戴优势,还可以提供安全稳定、绿色可持续的电力或实时输出的电信号脉冲,这将在未来可穿戴能源系统和自供电传感领域呈现出巨大应用前景。
目前纺织摩擦电器件已引起研究工作者的高度关注,在类型设计多样性方面取得显著进展。然而其仍面临三大问题:(1)摩擦电材料的低摩擦起电性能极大限制了器件电学输出性能的提升;(2)集可拉伸等多种功能特性于一体的感应电极材料的缺乏阻碍了具备良好机械服用性能器件的发展;(3)迫切需要开发兼具优异电学性能和良好机械拉伸性能于一体的低维纺织摩擦电器件。针对以上问题,论文主要围绕纺织摩擦电器件的电学输出性能优化提升和机械服用性能改善展开,通过摩擦材料微宏观结构设计、摩擦材料电极性调控,新型电极材料开发以及经济可行的制备技术等几个方面深入研究改进,构建出包括二维摩擦电织物和一维摩擦电纱线在内的多种性能优异的纺织摩擦电器件。具体研究内容如下:
(1)为提高摩擦材料电荷容纳能力,研究设计了负极摩擦材料多功能层级结构,由低温硫化硅橡胶(LTV)负极摩擦起电层、碳纳米管/硅橡胶(MWCNT/Ecoflex)电荷转移层、Ecoflex电荷存储层以及导电织物电极层复合而成。每一层起着重要作用,协同提高摩擦电织物的最大电荷累积量。具体采用刮涂工艺制备出具有多功能层级结构的织物,简称为FEL@CF层合织物。将该层合织物作为负极摩擦材料可组装构建出垂直接触分离式或单电极模式的高功率织物摩擦电器件,并全面系统地研究了Ecoflex电荷存储层的厚度、电荷转移层中碳纳米管的含量和作用力大小、频率以及负载电阻对织物摩擦电器件输出性能的影响。研究结果表明,由0.18 mm厚的Ecoflex电荷存储层和1.6 wt%MWCNT含量的电荷转移层可使FEL@CF层合织物的性能达到最佳,相应的织物器件仅在1.5 Hz的冲击频率和16 N的机械力作用下,便可产生490 V的开路电压、43μA的短路电流、70 n C的转移电荷量以及1.6 m W/cm2的高功率密度。此外,该织物质轻柔韧、可承受任意扭转、弯曲、撕扯和折叠等形变,具备较好的机械性能。将FEL@CF织物器件佩戴于人体,其可有效采集人体运动机械能,实现对商用电容器的充电、对LED的供能,以及对石英表和科学计算器的驱动。另外研究证实,FEL@CF织物摩擦电器件具有良好的鲁棒性和耐水洗性,可为长期使用提供重要保障。
(2)为拓宽纺织摩擦电器件对正极摩擦材料的选择范围,从摩擦材料化学组成和微观结构设计出发,综合醋酸纤维素(简称CA)和聚乙烯亚胺(简称PEI)两种生物相容高分子聚合物的优点,巧妙设计出一种高摩擦起电能力的全新型摩擦材料—电活性多孔正极摩擦材料,简称为CP摩擦材料。通过测试分析,发现其呈现丰富的蚁巢状多孔结构,表面形貌粗糙,其摩擦电正性大大优于摩擦电序列中常见的正摩擦材料。将其与导电织物结合制备出正摩擦电复合织物,进而可组装构建出性能优异的纺织摩擦电器件。通过对器件输出电学性能与CA/PEI质量比、CP摩擦材料厚度之间的依赖关系进行详细研究,最终得到了CP摩擦材料的最佳制备参数。选择CA/PEI质量比为3:1、CP摩擦材料厚度为55μm时,相应CP/LTV织物摩擦电器件在16 N的大小和1.5 Hz频率的作用力下的短路电流密度可达6.3μA/cm2(56.7μA),功率密度可达2.21 m W/cm2,远高于CA/LTV织物摩擦电器件。进一步通过分析CP摩擦材料表面电荷累积机制和表面物理化学性质,揭露了器件高输出性能主要是由表面氨基供电子基团,表面粗糙度以及多孔结构三者之间协同作用的结果。此外,探究并证实了该器件可在多种机械外力和冲击频率下进行工作,且均表现出良好的输出稳定性和耐久性。通过实验表明,CP/LTV织物摩擦电器件不仅可为微型商业电子设备提供持续电能,还可对人体运动进行灵敏监测,显