苏州大学孙旭辉团队：基于褶皱状导电高分子电极的透明可拉伸摩擦纳米发电机

在过去的几十年里，柔性可穿戴设备蓬勃发展，相关产品也不断涌现，如智能传感器集成电子皮肤、植入装置、机器人电子装置等。可穿戴设备产品所要求的特点除了其与人体的机械顺应性、轻巧、能耗低、美观性之外，还应考虑到这些产品的供电问题。柔性可穿戴能源设备，一直是科研人员的研究热点。

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）孙旭辉教授研究团队提出了一种基于褶皱结构PEDOT:PSS薄膜电极的可拉伸摩擦纳米发电机（WP-TENG）。该WP-TENG利用弹性PDMS作为器件的摩擦起电材料，用褶皱状的PEDOT:PSS薄膜作为感应起电电极材料，由此制得的透明可拉伸纳米发电机同时具备生物机械能收集、触觉传感和人体运动监测等功能。

图a为器件的制备过程图，图b为褶皱状PEDOT:PSS导电膜，图c为不同厚度导电膜光透过率，图d为该导电膜在不同拉伸条件下方阻

该WP-TENG通过预拉伸弹性PDMS膜作为摩擦层，再旋涂导电高分子PEDOT:PSS薄膜作为电极层，释放拉伸后形成褶皱状可拉伸器件。该褶皱状电极的透明度可根据刮涂的层数不同而发生改变，最佳透光率可达到90%。经测试，拉伸应变从0变化到100%的过程中，褶皱状电极的方阻可从1.40增大到4.63 kΩ·sq^-1，而同等拉伸情况下无褶皱的薄膜会增大到22.9 kΩ·sq^-1，因此，该褶皱设计增强了薄膜在拉伸过程中的导电性和稳定性。

图a为WP-TENG的器件实物图，图b为WP-TENG的发电机理图，图c为WP-TENG的电输出图，图d为WP-TENG使用时的电路示意图，图e为WP-TENG在手拍的运动条件下的充放电曲线图，图f为WP-TENG将电能存储于电容器后驱动电子手表的照片。

作为生物机械能收集装置，WP-TENG可以将机械能转化为电能。在单电极的工作模式下，该透明可拉伸WP-TENG可以输出180.1 V的开路电压，75.3 nC的转移电荷量，22.6 μA的最大短路电流。因此，基于其优异的电输出，该研究团队将此器件用于收集人体运动（如手的拍击、人体行走等）所产生的机械能。通过一定的电路设计，WP-TENG产生的交流电可以在整流之后存储于商业电容器中，实现直流电流驱动可穿戴电子设备（便携式电子表）。

图a为输出电压峰值和接触压强之间的关系，图b为一个手指尖不断增大压强来按压1像素的传感阵列输出电压，图c为3×3像素的触觉传感器实物图，图d为安装在手臂肌肉上的自驱动运动传感器用于检测肌肉运动状态及电输出，图e为固定在肘部的自驱动运动传感器用于监测肘关节的弯曲振幅及电输出，图f为固定在肘部的自驱动传感器用于检测肘关节的弯曲频率及电输出。

同时，还可将该WP-TENG放置于人体皮肤表面作为曲面电子器件，用于触觉及人体运动监测的自驱动传感器。摩擦起电机制使得该WP-TENG在没有外部电源的情况下可实现自驱动的触觉传感。在压强范围从2到60 kPa内，传感器具有高灵敏度，并且本工作中组装的3像素×3像素的触觉传感器阵列可用于映射记录对象的触摸位置或与传感器接触的物体的形状。此外，它不仅可以记录简单的运动（如肌肉的起伏），也可以通过输出电压的峰值大小和峰的个数来判断关节弯曲的频率和角度。

这三个应用使得本工作提出的可拉伸透明WP-TENG在人机界面、柔性机器人、功能显示、可穿戴电子、智能衣等领域均表现出良好的发展前景。

参考文献：

Z.Wen,* Y. Yang, N. Sun, G. Li, Y. Liu, C. Chen, J. Shi, L. Xie, H. Jiang, D.Bao, Q. Zhuo, and X. Sun*, A WrinkledPEDOT:PSS Film Based Stretchable and Transparent Triboelectric Nanogenerator for Wearable Energy Harvesters and Active Motion Sensors, Adv.Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201803684.

来源：高分子科学前沿