可伸缩性摩擦电纳米发电机

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在过去的几十年间，作为下一代功能器件的柔性电子学一直在不断发展，并吸引了工业界和学术界的广泛关注。相比传统器件，在不牺牲器件性能和可靠性的情况下，柔性电子器件有良好的可变形性。因此，柔性电子学在可穿戴器件、电子皮肤、植入式电子器件等方面有着巨大的应用前景。作为柔性电子系统中必不可少的供能模块也在飞速的发展，科学家们已经研究了众多可变形的能量存储器件，比如基于薄膜可弯曲的超级电容器和电池，贴在衣服上的可伸缩的超级电容器和可伸缩的锂离子电池等。然而，可伸缩的发电器件在柔性自供能电子系统中有着更高水平的应用潜力，因此，柔性发电器件也是国际科研领域中的热点。

在日常生活中，机械能是一种普遍存在的能量。科学家在利用机械能发电方面做了很多工作，例如电磁发电机、压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机等。其中摩擦电纳米发电机（TENG）是利用摩擦带电和静电感应之间的耦合效应将机械能转换成电能的，有着低成本和充裕的原料选择等优点，因此，摩擦电纳米发电机在为柔性电子系统提供可伸缩能量方面存在很大的可能性。

目前，这个领域的难题在于摩擦电发电机的可弯曲性依赖于组成材料，要求组成材料（像PDMS和橡胶）必须要保证固有的弹性。但是，科学家利用这些弹性材料制作的摩擦电纳米发电机的可伸缩效果并不理想。该怎么提高摩擦电纳米发电机的可伸缩性呢？

近日，美国佐治亚理工学院王中林教授等人，从中国传统的剪纸艺术中获得灵感，通过对摩擦电纳米发电机组成材料的结构入手，设计了一种高度可伸缩的联锁剪纸图案结构的摩擦电纳米发电机（纸基K-TENG）。

【主要亮点】

这种具有优良伸缩性的摩擦电纳米发电机（TENG）借用了传统的剪纸图案，它的可伸缩性源自于结构的设计，而不是组成材料。利用这种设计方法，对于没有弹性的材料也可以被用来制作TENG。因此，这种设计方法具有很高的普适性。文献中制作的纸基K-TENG的可弯曲性可达到100%，可以通过各种形式的运动（例如伸缩、挤压和扭转等）进行工作。在该器件上做一个简单的拍手动作就可以产生高达115.49V的开路电压和39.87nC的转移电荷。此外，这种K-TENG有着广泛的应用，例如液晶显示屏、LED照明阵列和自供电加速传感等。这项工作显著提高了可伸缩TENG的可伸缩度，促进了可伸缩TENG在柔性电子学领域的引用，开辟了基于剪纸设计在柔性电子器件应用的发展方向。

【结果和讨论】

图1 （a）纸基K-TENG的结构示意图：上面的插图是FEP薄膜的SEM图片，下面的插图是联锁结构的剖视图。（b）不同拉力条件下的组合器件的图片。

图2　纸基K-TENG的工作机理：这种联锁剪纸图案结构限制了FEP层的变形，确保张力释放后，器件可以复原，极大地提高了器件的稳定性和可靠性。

图3   在拉伸应变为16%、28%和40%的情况下，纸基K-TENG的典型电学参数输出：(a) 开路电压Voc，（b）短路电流Isc和（c）转移电荷量Qtr。上面的插图是在相应应变值的条件下，纸基K-TENG的剖视图。从上图可以看出：应变为16%、28%和40%的三种情况分别对应着器件处于轻微拉伸、满载拉伸和超载拉伸的状态，通过对这三种代表状态的测试，可以得到器件的最大工作极限。在前两种状态下，电荷分离距离随拉伸应变增大单调增加，故开路电压Voc和转移电荷Qtr也单调增加；在超载拉伸状态下，电荷分离距离随拉伸应变增大开始下降。可以得出，在满载拉伸状态下，器件的开路电压Voc 达到最大值。

图4   K-TENG的不同工作模式：（a-c）拉伸模式下应变值为28%的纸基K-TENG的剖视图，开路电压Voc和转移电荷Qtr；（d-f）压缩模式下纸基K-TENG的剖视图，开路电压Voc和转移电荷Qtr；（g-i）扭转模式下纸基K-TENG的剖视图，开路电压Voc和转移电荷Qtr。

图5   纸基K-TENG在自供能加速传感器的应用：（a）在不同加速度值下对应的开路电压Voc；（b）装有纸基K-TENG的加速传感器的图片；（c）开路电压Voc和加速度a的关系图：趋势线清晰地表明开路电压和加速度呈现线性的关系，比例系数为0.080V•s2/m，在10至40m/s2的范围中，表现出优良的性能。

【总结】

王中林教授等人提出的这种通用方法，可以制备出高伸缩性、环境友好型和联锁剪纸图案结构的纸基K-TENG。由固有弹性材料制备出的K-TENG的最大拉伸应变可达100%，最大可输出7.32伏的开路电压和2.64nC的转移电荷量。这种联锁剪纸图案结构设计不但可以显著地增强器件的硬度和可靠性，而且消除了过去的TENG在电荷分离过程对额外空间的需要。由于这种设计本身呈现形状适应性的薄膜结构，使得K-TENG可以在不同类型的运动模式（拉伸、压缩和扭转）下工作，扩大K-TENG的应用范围。这项工作从传统艺术中得到启发，应用到纳米发电机行业，促进了柔性电子行业的发展。