中科院北京纳米能源所王中林院士Nano Energy：由3D打印制成的三维超柔性摩擦纳米发电机

【引言】

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。

【成果简介】

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。

【图文导读】

图1.超柔性3D-TENG的结构及其制造工艺

a）本研究中使用的混合3D打印系统的总体示意图。

b）超柔性3D打印部件的数码照片。

c）超柔性3D打印部件的SEM图像。

d）超柔性3D-TENG的设计结构。

e）超柔性3D打印部件的超柔性展示。

图2. 超柔性3D-TENG的工作原理及其输出性能

a）超柔性3D-TENG变形过程的示意图。

b）超柔性3D-TENG的工作原理示意图。

c）数值计算了超柔性3D-TENG的电位分布特征。

d,g）在人体运动约为1.3Hz 条件下，超柔性3D-TENG输出的开路电压（V_oc）、体电流密度（J_sc）、体电荷密度（ρ_sc）以及体电流密度（J_sc）和体功率密度（P_v）与外部负载电阻的特性。

图3. 结构参数对电输出性能的影响

a）超柔性3D-TENG的结构和参数的示意图。

b,c）分别为具有不同D（mm）的超柔性3D-TENG的V_oc，J_sc和ρ_sc。

d,e）分别为具有不同d（mm）的超柔性3D-TENG的V_oc，J_sc和ρ_sc。

图4. 超柔性3D-TENG的压缩比、规格和耐久性

a,b）分别为超柔性3D-TENG的测试过程及其数码照片。

c.）不同压缩比（%）下超柔性3D-TENG输出的V_oc、J_sc和ρ_sc。

d）不同压缩比（%）下超柔性3D-TENG输出的P_v。

e,f）分别为不同规格（cm）下超柔性3D-TENG输出的V_oc、J_sc、ρ_sc和P_v及其部分区域放大图。

g）超柔性3D-TENG的耐久性测试。

图5. 基于超柔性3D-TENG的自驱动电源系统

a）基于超柔性3D-TENG的自驱动SOS求救系统的应用图示。

b）自驱动LED闪烁SOS求救系统的电路及透明柔性的蓝色LED灯丝数码照片。

c）自驱动蜂鸣器SOS求救系统的电路及其数字照片。

d）自驱动LED闪烁SOS求救设备（3.5cm×3.5cm×3.5cm）的数码照片。

e,f）分别为自驱动LED闪烁SOS求救装置压缩前后的工作照片。

g）在22-μF负载电容下的充电电压与充电时间关系曲线。

h）在工作电压为1.5V和3V条件下，自驱动蜂鸣器SOS求救系统的工作频率与求救信号周期的关系。

图6. 可用于驱动低功耗商用电子器件和充电的便携式自驱动电源系统

a）自驱动智能LED照明鞋应用场景插图。

b,c）分别为自驱动智能LED照明鞋植入的超柔性3D-TENG等组件和成型后的数码照片。

d）穿戴者走路时拍摄的自驱动智能LED照明鞋的视频截图。

e）充电电压与负载电容之间的变化关系。

f）不同负载电容下的电压-时间关系。

g）基于超柔性3D-TENG的便携式自驱动电源系统驱动智能温度传感器及为电子手表充电的数码照片。

h）便携式自驱动电源系统为22-μF电容器充电的电压变化曲线。

【小结】

这项研究中，该团队开发出的超柔性3D-TENG及其革命性的制作方法——混合3D打印技术，独特而鲜明，可有效避免层层结构制作工艺不便，保持往复运动不可避免的弹性支撑等问题。实现了TENG的超柔性三维发电结构和高密度集成，同时保持高度的灵活性和形状自适应性，该工作所提出的结构设计理念和制作方法为新型TENG的制作提供了新思路。考虑到易于控制的3D打印制造工艺（微米级）和所用的常用树脂材料，未来可以实现高精度，超复杂结构的大面积集成TENG。凭借创新的制造技术，人们可以预见可穿戴设备中基于超柔性3D-TENG的便携式自驱动电源的巨大潜力，以及在人工智能和物联网等方面的潜在应用价值。

文献链接：Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.049 ）