由3D打印制成的三维超柔性摩擦纳米发电机

baozi

       随着可穿戴设备，人工智能和物联网的快速发展，带动了多功能柔性电子器件应用范围及数量的飞速增长，例如被广泛地集成在衣服或鞋子中，其中一些还附着在人体的受迫部位上。因此，对便携式电源系统带来了极大地挑战，要求其拥有与之相匹配的形状适应性和高柔性。由于固有转换机理，传统的电磁发电和硅基太阳能发电等很难实现高柔性。与此相比，基于柔性高分子材料的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG），通过耦合摩擦起电效应和静电感应实现了机械能量收集并转化为电能，已有报道指出，在较强外力作用下和形变过程中仍然能够保持安全性、高效性和稳定性，这一点非常重要。基于以上描述，TENG作为自驱动超柔性电源显示出巨大的研究潜力；同时其还具备结构简单、材料选择广泛、成本低的实用价值。

       近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）的带领下，课题组陈宝东博士后、唐伟副研究员和蒋涛副研究（共同一作）等人首次研究了一种实用的超柔性三维摩擦纳米发电机（3D-TENG），它可以从低频的生物运动中获取能量并转化为电能，来驱动电子器件或为其充电；更加重要的是，该发电设备是通过独特的增材制造技术——混合3D打印实现的。不同于之前基于电介质薄膜作为摩擦电材料的TENG，这种超柔性3D-TENG使用打印的三维复合树脂结构（具有1μm的高印刷精度）和离子水凝胶作为摩擦带电层和电极，实现了TENG的超柔性三维发电结构和高密度集成。它可以应用于生物力学的能量收集（如通常小于3赫兹的人体运动），在约1.3Hz的低频下，瞬时峰值功率密度达到了10.98W/m3，转移电荷密度为0.65mC/ m3。此外，通过自组的自驱动可穿戴设备成功地展示了其实用性、创造性和新颖性，即野外自驱动LED闪烁和蜂鸣器SOS求救信号系统、自驱动智能LED照明鞋以及充电功能。相关成果以题为“Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing”发表在了Nano Energy上。