天工大范杰/张青松/夏兆鹏《Nano Energy》: 超拉伸和防冻离子导电水凝胶-作为极端环境下应变传感器和柔性摩擦纳米发电机

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随着科学技术的不断进步与发展以及智能时代的到来，柔性和可穿戴电子设备因其卓越的机电性能在物联网中的潜在应用而受到广泛关注。目前，电池和电容器仍是为这些便携式电子设备供电的主要方式。然而，它们也存在诸多缺点，如生产和使用过程中产生大量有害物质，对环境造成威胁，使用寿命有限且更换困难等。此外，它们固有的刚性导致便携性和舒适性差，并且无法承受严重变形。因此，开发一种可拉伸便携的能源设备迫在眉睫。基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机（TENG）被认为是解决能源问题、实现可持续发展的一种前景广阔的新兴电源。导电水凝胶因其高柔韧性、可拉伸性、可调机械性能和优异导电性而在各种便携式智能可穿戴电子产品和柔性传感器中显示出广阔的应用前景，也是用于制备柔性可拉伸TENG的良好选择。然而，目前大多数基于水凝胶的柔性应变传感器和便携式TENG普遍存在拉伸性/柔韧性低、机械性能差、环境耐受性差和功率输出低等问题。为此，天津工业大学范杰教授、张青松教授和夏兆鹏高工合作开发了一种高拉伸性、透明、高导电性以及出色防冻性的离子导电水凝胶，并将其作为可拉伸、耐恶劣环境的应变传感器和便携式TEGN的电极材料。

本研究开发了一种具有超高拉伸性（~1750%）、高透明度（85%）、高导电率（13.7 mS/cm）和出色抗冻性（低于-80°C不会冻结）的多功能离子导电水凝胶（PPAVC-BA）。由PPAVC-BA水凝胶组装而成的应变传感器具有高灵敏度（GF=4.43）、超宽传感检测范围（0%-1100%）和快速响应时间。基于这些特性，PPAVC-BA水凝胶应变传感器可以准确识别人体的不同关节运动以及微弱的肌肉跳动（如脉搏）。此外，基于PPAVC-BA水凝胶的TENG（PPAVC-BA-TENG）具有出色的电气输出性能，其开路电压（V_oc）约为420 V，短路电流（I_sc）为 23 μA，短路电荷（Q_sc）为112 nC，最大功率密度为2246.03 mW/m²，可为小型电子设备供电。PPAVC-BA-TENG还具有出色的拉伸性能，能在200%应变时输出稳定的电信号。更重要的是，PPAVC-BA-TENG即使在-50°C的低温和80°C的高温下也能表现出良好的电气输出性能。这项工作中报告的柔性应变传感器和可拉伸 TENG具有高性能和多功能性，为运动检测、能量收集和自供电电子设备的开发提供了思路。

图1.  PPAVC-BA导电水凝胶的制备示意图及基本测试表征

图2.  PPAVC-BA水凝胶的力学性能

图3.  PPAVC-BA水凝胶的粘附性能

图4.  PPAVC-BA水凝胶的自修复性能

图5.  PPAVC-BA水凝胶的防冻性和保水性

图6.  PPAVC-BA水凝胶的应变传感性能

图7.  PPAVC-BA水凝胶用作运动检测的传感器

图8.  PPAV₅C_1.2-BA-TENG的电输出性能

图9.  PPAV₅C_1.2-BA-TENG的在能量收集和自供电设备中的应用

总之，这项工作展示了PPAVC-BA作为柔性应变传感器和可拉伸TENG作为下一代可穿戴电子设备在人体运动检测、电子皮肤、人机交互、能量收集和自供电设备方面的巨大应用潜力。

论文信息：

第一作者：天津工业大学博士生雷通达

通讯作者：范杰，张青松，夏兆鹏

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109633

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