[發(fā)明專利]一種離子凝膠及離子凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910598598.1
• 申請(qǐng)日: 2019-07-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110358002A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 游正偉;孫利杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): C08F220/06
• 分類號(hào): C08F220/06;C08F220/38;C08F2/44;C08F2/48;C08K5/3445;H02N1/04
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31233
• 代理人: 黃志達(dá)

本發(fā)明涉及一種離子凝膠及離子凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)，離子凝膠網(wǎng)絡(luò)由聚合物之間相互物理作用及聚合物和離子液體相互物理作用構(gòu)成。本發(fā)明由偶極?偶極和離子?偶極相互作用構(gòu)成的離子凝膠網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出高拉伸性和離子電導(dǎo)率。離子凝膠構(gòu)筑的I?TENG具有高拉伸性，高透明度和良好的耐疲勞性，同時(shí)其電輸出性能保持穩(wěn)定至少1個(gè)月。I?TENG在?20至100℃的寬溫度范圍內(nèi)保持高拉伸性和電輸出性能，本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠用于可穿戴電子，電子皮膚和人工智能等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于摩擦納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種離子凝膠及離子凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)

新一代電子設(shè)備需要可拉伸性和柔軟性以實(shí)現(xiàn)當(dāng)今剛性電子設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。這些應(yīng)用的包括可穿戴電子設(shè)備，電子皮膚，軟機(jī)器人等。相應(yīng)地，對(duì)可拉伸和可持續(xù)電源的需求也變得尤為迫切。目前使用的電源主要為電化學(xué)電池，如鋰離子電池和超級(jí)電容器。然而，這些電源大多數(shù)是剛性的并且缺乏自充電能力。此外，這些裝置通常需要復(fù)雜的制造工藝。因此，開(kāi)發(fā)柔軟、可拉伸、制造簡(jiǎn)單的能量收集器將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能具有重要意義。

摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric nanogenerator,TENG)被報(bào)道可作為一種高效可持續(xù)的電源，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)柔性TENG可以收集各種形式的機(jī)械能(包括人體運(yùn)動(dòng)的能量)，為新興的可穿戴設(shè)備供電。特別地，柔軟、可拉伸和透明的TENG是更進(jìn)一步的需求，因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備要能夠匹配柔軟的人體組織，適應(yīng)頻繁的人體運(yùn)動(dòng)而不會(huì)降低設(shè)備性能，同時(shí)透明性有助于視覺(jué)信息的傳輸。通常，薄的電介質(zhì)聚合物膜和導(dǎo)電膜(金屬、碳材料、氧化銦錫等)分別作為摩擦層和電極用于構(gòu)筑TENG。然而，用電子導(dǎo)體同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透明度，導(dǎo)電性，可拉伸性和合適的柔軟性仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。可拉伸電子設(shè)備中使用電子導(dǎo)體的主要問(wèn)題之一是變形時(shí)的電阻顯著增加。例如，在100％應(yīng)變下，銀納米線/聚氨酯彈性體復(fù)合材料的電阻增加了100倍以上(B.-U.Hwang,J.-H.Lee,T.Q.Trung,E.Roh,D.-I.Kim,S.-W.Kim,N.-E.Lee,Transparent stretchable self-poweredpatchable sensor platform with ultrasensitive recognition of humanactivities,ACS Nano 9(2015)8801-8810)。這種情況可能導(dǎo)致TENG在使用過(guò)程中性能不穩(wěn)定甚至無(wú)法工作。

水凝膠具有柔軟、可拉伸和高透明的性質(zhì)。重要地，作為離子導(dǎo)體，水凝膠的電阻在拉伸時(shí)逐漸增加，其電阻率隨應(yīng)變的增量比電子導(dǎo)體的要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。近來(lái)，離子導(dǎo)體水凝膠作為電極和電解質(zhì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列可拉伸功能電子器件，如應(yīng)變傳感器，致動(dòng)器，超級(jí)電容器和TENG。

然而，水凝膠在應(yīng)用中有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。首先是它們的保水能力差。隨著水從水凝膠中蒸發(fā)，水凝膠的離子電導(dǎo)率和透明度會(huì)顯著降低，最終導(dǎo)致性能降低，甚至喪失。盡管研究者通過(guò)封裝、加入保濕劑和高度可水合的鹽來(lái)減緩水分蒸發(fā)，但水凝膠的仍然不穩(wěn)定。第二個(gè)缺點(diǎn)是應(yīng)用的溫度范圍窄。在0℃以下，傳統(tǒng)的水凝膠會(huì)結(jié)冰，變得僵硬并嚴(yán)重限制離子傳輸。在高溫下，則會(huì)加速水分蒸發(fā)。總體而言，水凝膠電子器件的穩(wěn)定性和耐溫性受到限制，因此，水凝膠不適合在干燥，低溫或高溫環(huán)境中長(zhǎng)期的應(yīng)用。