东华大学武培怡/雷周玥团队《Adv. Mater.》：相及相界面调控的离子压电弹性体实现离电系统的高效能量转换

2024-01-28 来源：高分子科技

传统压电材料可将机械能转化为电能，对自供电系统中的能量收集和人机交互至关重要。但是传统压电材料的晶体结构中电荷运动能力有限，产生的压电电流较小，而基于离子压电效应的材料由于较高的离子电导率和均相结构，往往能够产生较高的离子压电电流，也具有更高的可拉伸性。然而，均相结构通常会耗散应力而不是集中应力，使得其难以诱导局部电荷进行分离。这导致目前离子压电材料在压力下产生相对较低的电压响应，限制了电压增量而降低了变形期间的能量转换效率。此外，基于水凝胶的离子压电材料在集成到可拉伸的自供电系统中时还会面临环境不稳定性，需要复杂的封装方法等问题。因此，亟需开发兼具高的电压增量、离子电导、力学适应性和环境稳定性的离子压电材料。

针对上述问题，东华大学武培怡教授/雷周玥研究员团队设计了一种基于微相分离和中间层界面结构的离子压电弹性体。通过离子液体（IL）和离子塑料晶体（IPC）的合理组合，形成一种具有中间相的微相分离结构。这种方法通过硬相间的应力集中促进电荷分离，同时利用连接异质相的中间相促进离子电荷的高流动性。这种离子导电弹性体实现了约 6.0 mV kPa^-1 的高压电系数，比目前的离子压电凝胶提高了近60倍，比目前的离子压电水凝胶提高了三倍多，1.3 μW cm^-3 的最大输出功率密度达到了新高度。同时，离子压电弹性体还具有高拉伸性、强韧性和快速自我修复能力，突显了其在实际应用中的潜力，为其用于人机交互的离子电子系统提供新的解决方案。

图1.离子压电弹性体含有中间相的微相分离结构设计

该离子压电弹性体的主要设计原则为：（1）微相分离结构：利用 IPC 与聚合物网络之间相容性差的特点，建立微相分离结构。（2）中间相工程：设计具有共用阴离子的 IL 和 IPC，确保 IL 和 IPC 之间的相容性，从而设计出一种可连接异质微相的中间相。（3）增强阳离子-阴离子迁移率差异：通过阳离子-偶极相互作用将阳离子束缚在聚合物网络上，从而突出阳离子和阴离子在压力下的迁移率差异。这种方法有利于释放更多的游离的阴离子。这一创新策略可在离子分布中产生显著的梯度，最终提高压电效应。

图2.离子压电弹性体优异的压电性能

该离子压电弹性体表现出优异的压电性能，同时产生高压电电压（ 90 mV）和高压电电流（92 nA），最大压电系数约为6.0 mV kPa^-1，比目前的离子压电凝胶提高了近60倍，比目前的离子压电水凝胶提高了三倍多。此外，离子压电弹性体最大输出功率密度为 1.3 μW cm^-3，能量转换效率约为1.8%。这与先前报道均相和纳米相分离的离子压电凝胶相比，提高了一个数量级。

图3.离子压电弹性体压电响应过程中的离子相互作用机制

为了进一步研究响应机制，采用了分子光谱分析和分子动力学模拟来揭示压电传导过程中的离子相互作用。在离子压电弹性体中，阳离子与 PVDF-HFP 之间存在较强的阳离子-偶极相互作用，证实了阳离子被聚合物网络所束缚。此外，利用拉曼光谱还研究了[TFSI]^-的化学环境。IPC的引入后，[TFSI]^-的束缚被削弱，使其更具流动性。这可能是由于中间相的形成，在压电弹性体中产生了更多的自由阴离子。利用ATR-FTIR跟踪了离子压电弹性体中的[TFSI]^-在不同压力下的运动。当压力超过 15 kPa 时，1052 cm^-1 处特征峰的强度几乎没有变化，这表明[TFSI]^-的移动能力在压力为 15 kPa 时达到最大值。这一趋势与经典力场分子动力学模拟（MD）的结果一致。

图4.离子压电弹性体的力学性能与综合性能评估

离子压电弹性体不仅具有优异的压电性能，而且具有良好的力学适应性。与之前报道的离子压电材料相比，离子压电弹性体解决了压电材料长期以来在电学性能和力学性能之间的权衡问题。通过采用中间相和动态交联聚合物网络，离子压电弹性体实现了显著的可拉伸性(断裂伸长率>500%)、高韧性(约1400 J m^-2)、自我修复能力(30 min)和抗压性。这一进步克服了传统电子型压电材料的力学限制，确保其在动态和可拉伸离子电子系统中具有出色的力学适应性。另一方面，与基于水凝胶或有机凝胶的压电材料相比，离子压电弹性体的韧性至少提高了一个数量级。该离子压电弹性体还具有优异的环境稳定性，可避免水或有机溶剂的蒸发，无需复杂的封装技术。

图5.用于人机交互的声学感知、压力映射和逻辑处理

由于具有高离子压电反应灵敏度，压电弹性体可以感知和识别空间声学信号，从而实现人机交互。当离子压电弹性体放置在距离扬声器1cm处，每次播放A2音阶，实时产生70 μV的电压。这证明了它能感知微小声波振动的能力。在噪声环境下，压电弹性体对不同的环境噪声也会产生不同的电压响应。此外，通过利用压力传感和信号处理能力，压电弹性体可以参与人与机器人之间的逻辑信息交互。进一步，压电弹性体可以集成到触觉感知阵列中，将压力映射和逻辑处理能力结合在一起。

本研究通过利用微相分离和界面工程设计，有效解决了离子压电材料在电学性能和力学性能之间固有的权衡问题。值得注意的是，当这种弹性体集成到电路中时，可实现精准的声信号检测和高灵敏度的时空压力信号处理。有利于推动离子电子系统中高效能量收集转换的进展以及相关领域的发展。

上述研究成果以“Piezoionic elastomers by phase and interface engineering for high-performance energy-harvesting ionotronics”为题在线发表于期刊《Advanced Materials》上。该研究工作由东华大学完成，东华大学化学与化工学院博士研究生朱威妍为论文第一作者，东华大学武培怡教授和雷周玥研究员为论文通讯作者。相关研究由国家自然科学基金（22305033和52161135102）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（23D210502）资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202313127

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（责任编辑：xu）

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