目前我們使用的便攜式電子器件大多采用鋰離子電池,當(dāng)氣溫過低時(shí),普通的電池容量會(huì)衰減,當(dāng)達(dá)到-10℃時(shí),電池容量可能衰減到原來一半,嚴(yán)重影響電子設(shè)備的可持續(xù)使用。一種有效的解決方案,就是可以不斷收集環(huán)境中的能量為電子設(shè)備供電,可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENGs)的誕生為這種方案提供了可行的技術(shù)支撐。

特別是具備可拉伸特性的柔性TENG,可將人體大幅度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。但是,傳統(tǒng)的可拉伸TENG主要由低楊氏模量彈性體摩擦材料和凝膠類電極材料,在低于零度條件下,其可拉伸性和電學(xué)輸出性能會(huì)嚴(yán)重下降,為TENG在低溫下的應(yīng)用帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此,研制出抗低溫的柔性可拉伸TENG來高效收集低人體機(jī)械能量的需求是迫切的。

近日,蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院(FUNSOM)孫旭輝教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于抗凍水凝膠的柔性可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)(AH-TENG),用于高效收集零度以下人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能。根據(jù)離子的依數(shù)性,通過調(diào)控LiCl在水凝膠中的含量,降低了水凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,從而實(shí)現(xiàn)水凝膠材料的低溫抗凍特性。

低溫沒有對(duì)器件的可拉伸性和電極導(dǎo)電性產(chǎn)生影響,在-20℃時(shí),轉(zhuǎn)移電荷密度達(dá)到10 nC cm-2與室溫保持一致,并可最低在-62℃正常工作。在2.5 Hz運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生285 V開路電壓和15.5 μA短路電流的輸出,其瞬時(shí)輸出功率可達(dá)626 mW/m2,該成果以“Anti-freezinghydrogel based stretchable triboelectric nanogenerator for biomechanical energyharvesting at subzero temperature ”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》?上。蘇州大學(xué)博士生鮑德全為該論文的第一作者。

蘇州大學(xué)孫旭輝團(tuán)隊(duì):寒冬可穿戴自發(fā)電技術(shù)——基于抗凍水凝膠的可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)
圖a為聚合過程的示意圖;圖b為HEC,PAM和制備的純水凝膠的FTIR光譜;圖c為LiCl濃度在0到3 M之間的水凝膠的DSC曲線和圖d應(yīng)力-應(yīng)變曲線;圖e為純水凝膠和圖f 為LiCl改性水凝膠在-20°C冷凍1小時(shí)之前和之后的照片

 

復(fù)合水凝膠丙烯酰胺AM為單體,再加入羥乙基纖維素HEC作為物理交聯(lián)劑進(jìn)行聚合。經(jīng)測試HEC與聚合后的聚丙烯酰胺發(fā)生氫鍵交聯(lián),從而增大了力學(xué)強(qiáng)度。并且可以看出隨著水凝膠加入LiCl量的增加,水凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐步降低。當(dāng)LiCl濃度為3 M時(shí),水凝膠玻璃化開始轉(zhuǎn)變溫度低至-62°C。同時(shí)研究了LiCl對(duì)水凝膠里力學(xué)性能的影響。圖f,g可以看到純水凝膠在冷凍后形成白色冰晶失去彈性,而摻雜LiCl的改性水凝膠冷凍后依然具備彈性,既實(shí)現(xiàn)了抗凍性能。

蘇州大學(xué)孫旭輝團(tuán)隊(duì):寒冬可穿戴自發(fā)電技術(shù)——基于抗凍水凝膠的可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)
圖a為AH-TENG的結(jié)構(gòu)示意圖;圖b為發(fā)電機(jī)制的示意圖;圖c為在從0.5到2.5 Hz的各種運(yùn)動(dòng)頻率下的電輸出,包括開路電壓(Voc),短路電流(Isc)和轉(zhuǎn)移電荷(Qtr);圖d為峰值功率密度與外部負(fù)載電阻的關(guān)系

作為生物機(jī)械能搜集裝置,在單電極工作模式下,AH-TENG可以輸出285 V的開路電壓,90 nC的轉(zhuǎn)移電荷量,15.5 μA短路電流的輸出,其瞬時(shí)輸出功率可達(dá)626 mW/m2。

蘇州大學(xué)孫旭輝團(tuán)隊(duì):寒冬可穿戴自發(fā)電技術(shù)——基于抗凍水凝膠的可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)
圖a為拉伸的AH-TENG的照片;圖b為AH-TENG在不同拉伸長度下的電力輸出;圖c演示用于在零以下溫度下收集生物力學(xué)能量的AH-TENG;圖d在從-20 °C到室溫25.8°C的各種溫度下的轉(zhuǎn)移電荷量

 

基于此抗凍水凝膠所制備的AH-TENG具備優(yōu)秀的柔性可拉伸性能,可以看到AH-TENG拉伸后比原始尺寸多出150%的伸長率。并且隨著拉伸,電輸出性能沒有損失而是得到進(jìn)一步的提高。AH-TENG柔性可拉伸性能使得其作為可穿戴設(shè)備在低溫下更好的與人體組織共形接觸。AH-TENG進(jìn)一步在冰雪實(shí)際低溫環(huán)境下檢驗(yàn)了自身能夠作為可穿戴能量收集器件收集人體機(jī)械能,同時(shí)相比于室溫,低溫環(huán)境下的電學(xué)輸出并未降低。

該研究工作為設(shè)計(jì)在低溫環(huán)境下收集人體機(jī)械能柔性可穿戴能源提供了一種可行的思路,極大的擴(kuò)展了柔性可穿戴TENG在低溫下的溫度適應(yīng)性。

 

全文鏈接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta03215h#!divAbstract

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部