Adv. Funct. Mater：基于PLA压电和驻极体的生物相容性混合纳米发电机应用于E皮肤

【背景介绍】

目前，可穿戴的智能织物（电子皮肤）可以将人类的运动转换为电信号，并使用这些信号来给便携式电子设备充电，被广泛的研究。近年来，基于电容、静电效应等工作原理开发了各种类型的电子皮肤设备。其中，基于静电和压电的电子皮肤（E皮肤）设备具有易制造、灵敏度高和自供电特性等优点，在未来的人机界面（HMI）设备中具有广阔的前景。如今，驻极体材料已广泛应用于换能器、能量收集装置等领域。其中，驻极体材料的极性主要是由电晕充电器在高直流电压下注入的气泡或空间电荷引起的，这些电荷或偶极子表现为压电性。同时，驻极体材料中的摩擦电荷和注入电荷的耦合有利于增强静电感应。因此，或许可将驻极体纳米发电机与摩擦电动纳米发电机结合用于电子皮肤领域。此外，聚（L-乳酸）（PLLA）作为广泛使用的压电聚合物之一，是通过L-乳酸单体的聚合而合成，可用于智能织物、过滤装置等领域。同时，可拉伸PLLA聚合物的分子结构具有31个螺旋结构的β型晶体构象，有助于PLLA材料有大的热稳定性和压电性。同时，PLLA具有非热电性，对于在电子皮肤应用中区分压力信号和热信号至关重要。

【成果简介】

基于此，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所任凯亮研究员和王中林院士（共同通讯作者）联合报道了基于非压电介孔聚乳酸（meso-PLA）驻极体型摩擦电纳米发电机（NG）的高输出电压与双层聚乳酸（PLLA）的高输出电流相结合的压电纳米发电机（PENG），应用于电子皮肤（E皮肤）HMI设备。具有悬臂结构的混合NG可以在19.7 Hz的共振频率和4.71 g的尖端负载下产生70 V的输出电压和25 A的输出电流。同时，混合NG的输出功率达到0.31 mW，比基于PLLA的PENG的输出功率高11％。此外，基于PLA的混合NG可以在弯曲测试期间通过能量管理电路用于打开或关闭发光二极管的光。最后，基于PLA的可穿戴电子皮肤设备在肘部弯曲测试期间可以生成35 V（V_oc）和1 μA（I_sc）的输出信号。总之，该混合NG设备具有生物相容性、易于制造和相对较高的输出功率的优点。该研究成果以题为“Biocompatible Poly(lactic acid)-Based Hybrid Piezoelectric and Electret Nanogenerator for Electronic Skin Applications”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、混合纳米发电机（NG）的示意图和工作机理
（a）混合NG的示意图；

（b）具有三角波形的E-TENG设备的放大示意图；

（c）混合气体NG在其初始状态下的电荷分布示意图；

（d）混合气体NG在压缩模式下的电荷分布示意图；

（e）混合气体NG在弯曲模式下的电荷分布示意图；

（f）混合NG的初始状态和弯曲状态的照片。

图二、混合NG的工作原理
（a-b）混合NG的压缩测试：a）短路电流和b）开路电压；

（c-d）混合NG的弯曲测试：c）短路电流和d）开路电压。

图三、E-TENG设备的压缩测试
（a）具有各种波形的基于单层meso-PLA驻极体的E-TENG装置示意图：i）三角波形、ii）梯形波形和iii）矩形波形；

（b-c）具有短路电流和2 Hz各种结构的E-TENG的开路电压的作用力相关性；

（d）在20 N的脉冲力和4 Hz的频率下，E-TENG的输出电压和输出功率的负载电阻依赖性。

图四、混合NG的弯曲测试
（a）双层PENG（DL-PENG）设备的工作机制；

（b）在4.71 g的尖端负载下，DL-PENG的输出电压和相应输出功率的频率依赖性；

（c）在19.7 Hz的共振频率和4.71 g的尖端负载下，DL-PENG的输出电压和相应输出功率的负载电阻依赖性；

（d）在尖端负载为4.71 g时，E-TENG的短路电流和开路电压的频率相关性；

（e）在共振频率为19.7 Hz和尖端负载为4.71 g时，E-TENG的输出电压和相应输出功率的负载电阻依赖性。

图五、混合NG的输出性能
（a）E-TENG、PENG和混合NG的短路电流；

（b-d）PENG、E-TENG和混合NG的开路电压；

（e）在19.7 Hz的共振频率和4.71 g的尖端负载下，混合NG的输出电压和相应的输出功率作为负载电阻的函数；

（f）所有纳米发电机的电容充电曲线，其中一个4 µF电容器已充电。

图六、生物相容性编织E皮肤设备
（a）i）PENG编织、ii）E-TENG编织和iii）NG编织的照片；

（b）编织的PENG和E-TENG的示意图；

（c）肘部测试过程中混纺NG的图片；

（d-e）在肘部测试过程中，编织混合NG的短路电流和开路电压的测量结果。

【总结】

        综上所述，作者提出了一种生物相容的混合纳米发电机，该发电机包括压电PLLA薄膜和基于meso-PLA驻极体的摩擦纳米发电机。在压缩恢复模式下，E-TENG在匹配电阻为6 MΩ时表现出7 W m^-2的输出功率密度，在弯曲模式下表现出65.3 mW m^-2的最大功率密度。此外，将非压电meso-PLA驻极体型PENG的高输出电压与双层基于PLLA的PENG的高输出电流相结合，用于E皮肤HMI设备。生物相容性混合NG可以在19.7 Hz的共振频率和4.71 g的尖端负载下产生70 V的输出电压和25 A的电流。此外，基于PLA的混合NG可在弯曲测试期间通过能量管理电路打开和关闭LED灯。基于PLA的编织电子皮肤设备在肘部弯曲测试期间可以生成35 V（V_oc）和1 μA（I_sc）的输出信号。总之，该型混合NG设备为未来的E皮肤应用提供了广阔的前景。

文献链接：Biocompatible Poly(lactic acid)-Based Hybrid Piezoelectric and Electret Nanogenerator for Electronic Skin Applications（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908724）

通讯作者简介

任凯亮，男，中科院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，中组部青年千人计划入选者, 北京市海聚工程专家。1997年获得天津大学电子工程系本科学位，2007年获得美国宾夕法尼亚州立大学电子工程系博士学位。2009-2014，先后在美国宾夕法尼亚州立大学，约翰霍普金斯大学任博士后及助理研究科学家等工作。从2015年起担任中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员。他在聚合物介电材料、陶瓷/聚合物纳米复合材料、利用压电聚合物进行可穿戴能量收集材料等领域做出了具有国际影响力的重要研究成果。包括布莱叶盲文驱动器，基于压电聚合物的能量收获器件，基于MEMS的红外以及生物传感器，以及聚合物纳米纤维传感器等。

任凯亮博士在国际著名期刊上，包括Science，Advanced Materials; Nano Energy, Advanced Functional Materials; Applied Physics Letters; IEEE Transactions等发表论文50篇，并有授权美国专利2篇，中国专利申请10篇。任凯亮的文章被引用次数超过2800余次，h-index为21。另外，任凯亮博士担任的社会职务包括电子元器件关键材料与技术专委会资深委员，天津大学微电子学院校友会常任理事等职务。同时，任凯亮博士还担任国际杂志的审稿人，比如Nature Communications, Nano Energy, Applied Physics Letters, ACS Applied Materials & Interfaces 等。

本文由CQR编译。

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