自愈合、透明、可拉伸的柔性电源

近来,关于柔性电子、仿生电子、软体机器人的研究方兴未艾,随之而来的一大难题是:如何给这些软体器件供电?传统的二次电池、太阳能电池等都很难匹配这些器件的多功能性,例如:高的拉伸形变能力、高透明度、甚至自愈合功能。尽管目前很多研究在一定程度上实现了各类柔性能源器件,但由于各自材料选择和结构设计的限制,这些能源器件很难同时兼具这三种功能。

中科院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员胡卫国研究员王中林院士团队近来报道了一种基于摩擦起电与静电感应效应的摩擦纳米发电机(TENG),该能源器件同时具有高拉伸形变能力、高透明度和自愈合功能。该工作首先制备了一种具有自修复功能、透明的弹性体(H-PDMS),该弹性体为含有亚胺键的PDMS(如图1),基于席夫碱反应,含有可逆亚胺键的PDMS弹性体在受损后可自发高效愈合,愈合过程可在室温下完成,无需加热、光照等外界刺激,机械弹性愈合效率可达94%。

图1 制备的弹性体的自愈合机制

随后,他们制备了银纳米线和PEDOT:PSS复合膜作为导电电极。尽管复合导电膜本身不具备延展性,但通过预拉伸转移—预应力释放—弯曲褶皱的方法(图2),可制备具有褶皱状的Ag-PEDOT复合电极,从而使电极及最终的器件具有可拉伸变形性能,电极在预应力范围内拉伸,电阻大小几乎没有变化。由于基底H-PDMS具有自愈合功能,受损后基底的修复过程会带动断裂的Ag-PEDOT复合电极重新实现电接触(图3),从而实现电极的电愈合。相比于平整的电极膜,褶皱状结构的Ag-PEDOT导电层在外界应力下机械损伤小,因而具有更稳定的电愈合性能,使用刀片切断3次后均能恢复导电,电阻升高约60~170%每次。此外,该工作研究了预拉伸应力大小与器件透光度之间的联系。

图2 自愈合、透明、可拉伸摩擦纳米发电机的制备、结构示意图

图3 褶皱状电极的电愈合示意图、及愈合前后的对比照片,其中(i)是切口,(ii-iv)愈合后的照片。比例尺:(i-iii)100 μm、(iv)10 μm。

最终他们制备了具有三明治结构的单电极摩擦纳米发电机,愈合前后发电输出可100%恢复(图4),在50%拉伸应变范围内保持稳定的输出性能,透明度可达73%,并且其透明性和拉伸性能还可以通过对H-PDMS基体材料预拉伸应力大小来调节。该发电机具有高达100V的电压输出,可轻松点亮数十盏LED 灯,并为商业电容器充电,该工作示例了其作为能源皮肤的潜在应用。

图4发电机的拉伸性能(a, b)及自愈合性能(c, d)。

该工作发表在《ACS Nano》上,论文第一作者为孙江曼博士

参考文献:

Sun, J.; Pu, X.; Liu, M.; Yu, A.; Du, C.; Zhai, J.; Hu, W.; Wang, Z. L., Self-Healable, Stretchable, Transparent Triboelectric Nanogenerators as Soft Power Sources. ACS Nano 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02479.

 

来源:高分子科学前沿

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