近日,香港理工大学应用物理系郝建华教授(通讯作者)研究小组构建了一种自愈TENG。通过自愈聚合物和磁辅助电极的引入,使得发电机在遭到损伤后可自行修复。该发电机在经过5个损伤-修复周期后,发电机的性能仍然能够达到初始的95%。这项研究为发展新型机械能收集器件提供了可行方案。该研究成果以“Fully Self-healing and Shape-tailorable Triboelectric Nanogenerators Based on Healable Polymer and Magnetic-assisted Electrode”为题发表在Nano Energy上。
图1. 自愈摩擦纳米发电机的结构和发电机理图
(a)自愈摩擦纳米发电机的结构示意图;
(b)自愈TENG(4 cm × 6 cm)的光学照片:(左)插图展示的是底电极的光学照片,(右)插图展示的绝缘层底面图案的光学照片;
(c-f) 自愈TENG的发电机理图:(c)完全接触状态,(d)逐渐分离状态, (e) 逐渐接触状态,(f)完全分离状态。
图2. 自愈TENG的电学输出性能表征
(a) 在施加6.25 N作用力下,自愈TENG的开路电压;
(b) 在施加6.25 N作用力下,自愈TENG的短路电流;
(c) 在施加6.25 N作用力下,自愈TENG的输出电压和电流随负载电阻变化图;
(d) 在施加6.25 N作用力下,自愈TENG的输出功率密度随负载电阻变化图。
图3. 聚合物摩擦层的自愈性能表征
(a) PDMS-PU的自愈过程:(Ⅰ)初始态的PDMS-PU(Ⅱ)切断后的PDMS-PU(Ⅲ)在65℃自愈后的PDMS-PU;
(b) (上)损伤样品的光学显微图片,(下)自愈后的光学显微图片;
(c) 自愈后的样品在拉伸前后的图片;
(d) 初始样品和不同自愈时间和温度下,自愈样品的应力-应变曲线;
(e) 在不同自愈时间和温度下,PDMS-PU薄膜的应变恢复百分比。
图4. 聚合物自愈机理
(a) 自愈聚合物结构示意图;
(b) 所制备PDMS-PU薄膜中二硫键的可逆交换反应;
(c) 所制备PDMS-PU薄膜中的可逆氢键连接;
(d) 所制备PDMS-PU薄膜的自愈机理。
图5. 器件的电极自愈性能表征
(a) 通过和LED灯泡串联来定性表征顶部电极的自愈过程:(Ⅰ)初始电极(Ⅱ)切断后电极(Ⅲ)自愈后电极;
(b) 底部电极的自愈过程;
(c) 损伤前和自愈后电极的I-V曲线;
(d) 顶部和底部电极在不同损伤-自愈周期下的电阻变化。
图6. 发电机自愈过程中输出性能表征
(a) 在初始态、断裂后、自愈后,所制备TENG的短路电流;
(b) 在初始态、断裂后、自愈后,所制备TENG的开路电压。
图7. TENG的形状重塑性能
(a) 自愈TENG从方形变为带形的重塑过程:(Ⅰ)初始器件(Ⅱ)切断后(Ⅲ)组装(Ⅳ)重塑器件;
(b) 施力物体与发电机之间的形状匹配对短路电流输出的影响;
(c) 自愈TENG从初始方形到手形的形状重塑过程;
(d) 脚部运动驱动方形TENG产生的开路电压;
(e) 手拍打驱动方形TENG产生的开路电压。
该团队通过将自愈PDMS-PU聚合物和磁辅助自愈电极集成构建了一种自愈摩擦纳米发电机。该发电机在某部分受到机械损伤后,由于自愈聚合物的机械特自愈性和磁辅助电极的电学自愈特性,能够很好的修复损伤部分,进而实现器件性能的恢复。同时,该自愈发电机还具有形状可裁剪特性,使发电机能够更好的收集机械能和匹配复杂的机械传感。这为发展长寿命、高稳定性和目标适应性的自驱动能源器件提供了可行方案。
文献链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517305219?via%3Dihub
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