香港城大于欣格课题组Nano Energy：表皮摩擦纳米发电机助力自供能皮肤电子- 大数跨境

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香港城大于欣格课题组Nano Energy：表皮摩擦纳米发电机助力自供能皮肤电子

科学材料站

2020-07-07

导读：该工作通过在柔性基底上制备轻薄、柔软、可紧密贴于体表的摩擦纳米发电机器件（e-TENG），并通过对比不同的力学设计图案、不同电极面积大小以及不同拉伸应变程度下e-TENG的电能输出能力，探讨了其工作电

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表皮摩擦纳米发电机的力学设计与性能的关系

作者：姚宽明，刘一明，李登峰，何嘉辉，李冀豫，Raymond Lam

通讯作者：解兆谦*，王立代*，于欣格*

单位：香港城市大学，大连理工大学

背景简介

近年来，柔软，轻薄，可拉伸的可穿戴式皮肤电子器件（epidermal electronics）在健康监测、疾病诊断、人机交互界面等领域得到了快速的发展与广泛的应用。然而由于皮肤电子的供能仍然受制于电池容量和体积、外部供电等方式的限制，难以实现长期、稳定且独立的工作和实际使用，轻薄柔软的能量收集自发电策略或将是最具潜力的解决方法。

其中，摩擦纳米发电机（TENG）利用不同电子亲和性材料之间的接触起电与静电感应，能够高效地将日常生活中大量浪费的机械能转化为电能。为提供充足的电能输出，TENG需要足够大的电极面积，但会显著降低器件的可拉伸性能，难以适应日常动作中的皮肤应变。而关于TENG有效电极面积大小、输出电能大小与力学延展性能之间的关系仍然缺乏深入研究。

文章介绍

近日，香港城市大学于欣格、王立代联合大连理工大学解兆谦教授和其它课题组在Nano Energy 期刊(影响因子：16.602) 上发表题为“Mechanics designs-performance relationships in epidermal triboelectric nanogenerators”的研究工作。

该工作通过在柔性基底上制备轻薄、柔软、可紧密贴于体表的摩擦纳米发电机器件（e-TENG），并通过对比不同的力学设计图案、不同电极面积大小以及不同拉伸应变程度下e-TENG的电能输出能力，探讨了其工作电极设计与电学/力学性能之间的关系。在权衡器件的可拉伸性与电能输出稳定性之后，优化电极面积比例的器件可在0%~30%的整体拉伸应变下稳定提供约50V与20µA的电压与电流输出，可点亮超过20个LED灯泡，同时也适用于在体表不同类型的机械动作的监测和区分。

该文章共同第一作者为香港城市大学博士生姚宽明和刘一明；大连理工大学解兆谦教授、香港城市大学王立代副教授和于欣格助理教授为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：e-TENG可贴于体表、能适应各种形变

图1. 表皮摩擦纳米发电机（e-TENG）器件整体展示

（a）器件结构爆炸示意图。

（b~c）贴于皮肤表面的e-TENG器件。

（d~e）蛛网/蛇纹线可拉伸电极图案展示。

（f~g）拉伸、扭转和弯曲变形过程中的器件照片及相应的应力分布仿真结果。

图1展示了e-TENG的设计细节以及在不同形变下的电极应变分布。

e-TENG器件的电极工作区域为直径20mm的圆形，器件整体厚度仅为0.38mm，重量仅0.33g，保证了其轻薄，可穿戴并可适应变形的特性。通过磁控溅射镀膜、光刻以及转印等微加工技术制备的e-TENG器件结构简单，使用底层PDMS作为柔性基底，金纳米层作为电极材料，聚酰亚胺（PI）作为支撑层，并以顶层PDMS同时作为封装层和与皮肤接触起电的摩擦层。

本文器件采用单电极TENG的形式，通过皮肤与器件表面PDMS的接触与分离导致的电子迁移，在器件电极与地之间形成电势差从而输出电能。

要点二：静态下最优电极面积比的测试筛选

图2. 静态下不同电极面积比例与电能输出的关系。

（a-b）在工作区域内不同电极面积填充比例（8.83%~100%）的电极图案设计。

（c~d）输出开路电压随电极面积比变化的趋势及实时数据展示。

（e~f）输出短路电流随电极面积比变化的趋势及实时数据展示。

图2展示了直径2cm工作区域内不同面积比例的电极设计并对比了其在无变形（静态），~23kPa压力刺激下的开路电压/短路电流的峰值大小。

通过以一定压力敲击贴于人造皮肤的e-TENG器件的测试，可看出其电压/电流输出能力并非随电极面积增大而线性提高，而是逐渐趋于饱和，大约在面积占比50%~60%的电极面积时，大致均匀分布、整体互联的电极便已能足够高效地收集该区域内的摩擦电荷，并转化为电能输出。

要点三：动态下最优电极面积比的测试和筛选

图3. 0%~30%的拉伸应变下e-TENG器件的电压变化趋势与应力分布。

（a）10%，20%及30%拉伸应变下的e-TENG及其FEA仿真的应力分布。

（b）同一压力下不同电极面积比的器件在不同拉伸应变下的开路电压平均输出峰值汇总柱状图。

（c）原始状态下与20%拉伸应变下各器件的电压数据对比。

（d）电极面积比为51.34%的器件在各拉伸应变下的开路电压实时数据。

图3展示了在0~30%的拉伸应变下器件的应力分布模拟结果以及电能输出实际测试结果。从数据中可看出，仅有36.36%与51.34%面积比的器件能在拉伸状态下始终维持40V以上的高电压输出，而更高面积比例的器件的性能则随拉伸应变增大而急剧衰退。

其中，51.34%面积比的器件在30%拉伸应变下仍能提供50V左右（原始状态下的90%以上）的电压；在0~25%的拉伸应变下，51.34%面积比的蛛网/蛇纹线电极中的应力未达到断裂极限，而30%应变时仅有径向蛇纹线出现断裂，但电极整体仍然互相联通，有效电极面积未发生显著降低，从而保证了其在动态下稳定的电学性能。

基于该实验结果，在权衡拉伸性能与电学性能之后，作者选用51.34%电极面积比的器件作为最优的器件。

要点四：e-TENG监测/区分体表机械刺激

图4. e-TENG在触摸、点按、轻拍和用力敲击下的分别的输出信号，以及接触手的不同状况对于器件性能的影响。

（a~c）对贴于体表的e-TENG进行触摸、点按、轻拍和用力敲击分别对应的压力数据以及照片示意图。

（d~e）四种刺激方式下的平均输出电压及其实时数据图。

（f~g）四种刺激方式下的平均输出电流及其实时数据图。

（h~j）接触e-TENG摩擦层的手分别在干燥、潮湿和佩戴腈纶手套的状况下对于器件输出电压的影响。

为展示e-TENG在皮肤表面实际应用时的工作性能，作者将器件贴于志愿者体表并用手指给予不同程度/不同压力的机械刺激。从实验结果可以看出，器件的电压和电流输出强度对于接触压力有较高的敏感性，能够明显地监测、指示并区分出不同类型不同力度的机械刺激。

此外，e-TENG也能够在多个方向的拉伸下、凹凸不平的表面上以及经历过折叠之后保持稳定、优越的电能输出，其输出的交流电信号在经过整流后能够同时为多达20个串联的LED灯泡供电，充分显示了其在自供能皮肤电子领域的应用潜力。

结论

在此工作中，作者通过简单的结构制备了极其轻薄、柔软，可穿戴并贴合皮肤的表皮摩擦纳米发电机器件，并通过优化的电极力学图案设计，在器件的可拉伸性与电能输出稳定性/电能大小之间取得平衡，使最终采用的器件能够在高达30%（日常生活中皮肤应变的极限）的应变下仍能保持50V，20µA左右的稳定输出，并能够有效监测和区分体表的不同机械刺激，并能够为外部设备（如LED等）提供电能。该研究提出的电极面积及力学设计/可拉伸性能/能量收集性能之间的关系及其权衡优化以满足应用需求的方法，对于未来的自供能皮肤电子设备的设计和发展具有重要的参考意义。

文章链接:

Mechanics designs-performance relationships in epidermal triboelectric nanogenerators

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105017