随着柔性电子在智能化和便携化领域的快速发展,开发和利用可持续的高性能电源已成为研究热点。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的能量收集器具有柔韧、便携、小型化等优势, 能够将周围环境中的机械能转换为电能,成为实现可穿戴自供能电子设备的理想手段之一。然而,如何通过调控正电材料的结晶度和微观结构开发具有高摩擦产电材料,从而实现高输出TENG的制备仍然极具挑战。近期,华南理工大学机汽学院张水洞教授课题组采用聚乙二醇单甲醚(mPEG)增塑聚乳酸(PLA),结合静电纺丝技术制备出高结晶度(由5%提高至45.9%)和具纳米结构的PLA/mPEG纤维,将其作为正电材料制备输入功率密度达116.21 W/m2的TENG,并能实现蜂鸣器的音乐演奏。
图1. (a) PLA-mPEG薄膜的FTIR谱图和(b)XRD谱图。(c) PLA/mPEG纳米纤维薄膜的储存模量和(d) tanδ曲线。
图2. 不同浓度mPEG制备的P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENGs的(a)开路电压和(b)短路电流。
图3. (a, b) P(VDF–TrFE)/PLA-15mPEG TENG 在不同外部负载电阻下的输出电压、功率密度和输出功率。(c, d) P(VDF–TrFE)/PLA-15mPEG TENG在104按压释放循环中前后 50 次循环测得的输出电压和电流。
图4. (a) P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENG 为电容器充电后驱动电子器件的等效电路图。(b) 通过 TENG 向 22 μF 电容器充电后驱动 LED 手环的电压曲线,插图显示了被点亮的 LED 手环的数码照片。(c) 22 μF 电容器的放大电压曲线。(d) 温度计和湿度计被点亮的数码照片。
图5. (a) P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENG 通过手指按压产生的输出电压。(b) TENG在一次按压?释放循环中产生的输出电压。(c) P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENGs 作为音符通过蜂鸣器播放音乐的数码照片, (d) 用手指按压作为音符的 TENGs 产生的输出电压。
如图5所示,TENG可以有效地收集手指按压的微小机械能并将其转换为电能。当按下TENG音符时,信号处理系统接收输出电压信号。通过TENG和信号处理系统之间的实时通信,信号被传输到匹配的蜂鸣器,然后蜂鸣器发出相应音符的声音。此外,当按顺序按下音符“Do,Do,So,So,La,La,So”和“Fa,Fa,Mi,Mi,Re,Re,Do”时,蜂鸣器可以播放“Twinkle Twinkle Little Star”的曲调。因此,P(VDF–TrFE)/PLA mPEG TENG可以检测手指按压信号,并通过TENG与信号处理系统之间的实时通信来完成音乐的播放。
相关论文链接:
[1] Xingxing Shi, Wanjie Si, Jingyi Zhu, Shuidong Zhang*. Boosting the Electrical Performance of PLA-based Triboelectric Nanogenerators for Sustainable Power Sources and Self-powered Sensing. Small. https://doi.org/10.1002/smll.202307620.
[2] Xingxing Shi, Shuidong Zhang*, Shaoqin Gong*. A self-powered and arch-structured triboelectric nanogenerator for portable electronics and human-machine communication. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 8997-9005.
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