自粘附、可拉伸透明的固态摩擦电贴片用于可穿戴电源和触觉传感器

摘要

具有可扩展性、自主粘合性和透明性的强大电源和自供电传感器非常适合下一代电子/能源/机器人应用。最近，新加坡国立大学李正国教授、东华大学郭建生教授团队使用聚环氧乙烷/水性聚氨酯/植酸复合材料（简称作为 PWP 复合材料）作为有效的集电器和硅橡胶作为摩擦层。PWP 复合材料经过系统优化，相应的单电极装置可以在 75% 应变下提供 2.3 W m-2 的功率密度。摩擦电贴片能够通过有效收集生物力学能量为电容器充电并为电子设备供电。

此外，它可以自动附着在非平面皮肤或服装基材上，并用作触觉传感器或表皮输入触摸板，分别用于生理运动检测和电器的远程控制。即使经过动态变形、剪裁和长时间使用，贴片仍能保持良好的电输出稳定性和可靠性。这项工作提供了一种新型的固态和无液体聚离子电极基摩擦纳米发电机，它集粘附性、拉伸性和透明性于一体，可满足从透明电子、人造皮肤到智能界面的广泛应用需求。相关论文以题为Autonomously Adhesive, Stretchable, and Transparent Solid-State Polyionic Triboelectric Patch for Wearable Power Source and Tactile Sensor发表在《Advanced Functional Materials》上。

主图

图1 制备聚离子摩擦电贴片的示意图。a）由PWP集流体和硅橡胶摩擦层组成的贴片结构。PEO (a-i)、PA (a-ii) 和 WPU (a-iii) 的化学结构。b) 聚离子摩擦电贴片的制备：PEO、WPU 和 PA 分子的混合 (b-i)；在自制模具中滴铸均匀混合物（b-ii）；覆盖硅橡胶摩擦层 (b-iii)。

图2 聚离子摩擦电贴片的表征和机械性能。a) 具有良好透明度的贴片和 LTV 薄膜的照片。b) 显示具有不同 PA 含量（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、3.0、5.0 mL）的 LTV 和摩擦电贴片在不同波长下的透射率的图像。插图显示了测量原理图。c) PWP、PEO 和 PEO/WPU 薄膜的 XRD 图。d) 贴片横截面的显微图像。e) 表面地形和元素映射的图像。f) 贴片的可拉伸性。g) PEO、PEO/WPU、摩擦电贴片的应力-应变曲线比较。h) 摩擦电贴片在连续 11 次循环中的循环拉伸曲线。

图3 聚离子摩擦电贴片的粘附性和顺应性。

图4 聚离子摩擦电贴片的工作机理和电性能优化。

图5 聚离子摩擦电贴片的电气性能和耐久性。

图6 固态摩擦电贴片在可穿戴电源、运动监测和用户界面系统中的潜在应用。

总结

使用简单的溶液处理方法提出了一种具有 PWP 聚离子电极的可扩展、粘性和透明摩擦电贴片。该贴片在可见光区的平均透光率超过 85%，对真丝织物的粘合强度为 44.3 N m-1，断裂伸长率为 318%。使用具有 5 mL PA 含量和 85 µm 厚度的 PWP 复合材料实现了最佳装置。在单电极模式下工作的贴片可以产生 191 V 的高输出 VOC 和 17.3 µA 的 JSC。这是鲁棒的固态 TENG 首次同时具备这些特性。该贴片可以很容易地附着在各种非平面基板上，以进一步收集生物力学能量、为电容器充电、驱动电子设备和检测生理运动。此外，摩擦电贴片可用作软触摸板来控制包括手机、商用灯、电风扇在内的电器。重要的是，在重复拉伸/扭曲/折叠循环或多次接触分离运动或剪裁条件后，贴片可以保持良好的输出稳定性和耐用性。因此，这种固态和无液体摩擦电贴片有望在电子皮肤、人机交互、软机器人、光电设备等领域显示出巨大的潜力。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202104365

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