目前我們使用的便攜式電子器件大多采用鋰離子電池，當(dāng)氣溫過低時(shí)，普通的電池容量會(huì)衰減，當(dāng)達(dá)到-10℃時(shí)，電池容量可能衰減到原來一半，嚴(yán)重影響電子設(shè)備的可持續(xù)使用。一種有效的解決方案，就是可以不斷收集環(huán)境中的能量為電子設(shè)備供電，可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）的誕生為這種方案提供了可行的技術(shù)支撐。
特別是具備可拉伸特性的柔性TENG，可將人體大幅度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。但是，傳統(tǒng)的可拉伸TENG主要由低楊氏模量彈性體摩擦材料和凝膠類電極材料，在低于零度條件下，其可拉伸性和電學(xué)輸出性能會(huì)嚴(yán)重下降，為TENG在低溫下的應(yīng)用帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，研制出抗低溫的柔性可拉伸TENG來高效收集低人體機(jī)械能量的需求是迫切的。
近日，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院（FUNSOM）孫旭輝教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于抗凍水凝膠的柔性可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)（AH-TENG），用于高效收集零度以下人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能。根據(jù)離子的依數(shù)性，通過調(diào)控LiCl在水凝膠中的含量，降低了水凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而實(shí)現(xiàn)水凝膠材料的低溫抗凍特性。
低溫沒有對(duì)器件的可拉伸性和電極導(dǎo)電性產(chǎn)生影響，在-20℃時(shí)，轉(zhuǎn)移電荷密度達(dá)到10 nC cm-2與室溫保持一致，并可最低在-62℃正常工作。在2.5 Hz運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生285 V開路電壓和15.5 μA短路電流的輸出，其瞬時(shí)輸出功率可達(dá)626 mW/m2，該成果以“Anti-freezinghydrogel based stretchable triboelectric nanogenerator for biomechanical energyharvesting at subzero temperature ”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》?上。蘇州大學(xué)博士生鮑德全為該論文的第一作者。
該復(fù)合水凝膠以丙烯酰胺AM為單體，再加入羥乙基纖維素HEC作為物理交聯(lián)劑進(jìn)行聚合。經(jīng)測(cè)試HEC與聚合后的聚丙烯酰胺發(fā)生氫鍵交聯(lián)，從而增大了力學(xué)強(qiáng)度。并且可以看出隨著水凝膠加入LiCl量的增加，水凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐步降低。當(dāng)LiCl濃度為3 M時(shí)，水凝膠玻璃化開始轉(zhuǎn)變溫度低至-62°C。同時(shí)研究了LiCl對(duì)水凝膠里力學(xué)性能的影響。圖f,g可以看到純水凝膠在冷凍后形成白色冰晶失去彈性，而摻雜LiCl的改性水凝膠冷凍后依然具備彈性，既實(shí)現(xiàn)了抗凍性能。
作為生物機(jī)械能搜集裝置，在單電極工作模式下，AH-TENG可以輸出285 V的開路電壓，90 nC的轉(zhuǎn)移電荷量，15.5 μA短路電流的輸出，其瞬時(shí)輸出功率可達(dá)626 mW/m2。
基于此抗凍水凝膠所制備的AH-TENG具備優(yōu)秀的柔性可拉伸性能，可以看到AH-TENG拉伸后比原始尺寸多出150%的伸長率。并且隨著拉伸，電輸出性能沒有損失而是得到進(jìn)一步的提高。AH-TENG柔性可拉伸性能使得其作為可穿戴設(shè)備在低溫下更好的與人體組織共形接觸。AH-TENG進(jìn)一步在冰雪實(shí)際低溫環(huán)境下檢驗(yàn)了自身能夠作為可穿戴能量收集器件收集人體機(jī)械能，同時(shí)相比于室溫，低溫環(huán)境下的電學(xué)輸出并未降低。
該研究工作為設(shè)計(jì)在低溫環(huán)境下收集人體機(jī)械能柔性可穿戴能源提供了一種可行的思路，極大的擴(kuò)展了柔性可穿戴TENG在低溫下的溫度適應(yīng)性。
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