柔性可穿戴摩擦纳米发电机的制备及性能研究

摘要

近年来，随着科技的不断进步，在人们生活中出现了许多可穿戴的电子设备，并且其数量还在持续快速的增长。这些电子设备被广泛应用到健康检测、物联网、人工智能和无线传感等方面，极大的方便和丰富了人们的生活。然而，可穿戴电子设备往往需要频繁地充电或更换电池，限制了其向小型化、轻便化方向的发展，成为阻碍其发展的主要因素之一。解决这一问题的一个可行方案是高效收集人体活动产生的机械能并将其转化为电能，供给这些电子设备使用从而延长它们的续航时间，进一步实现自驱动的可穿戴电子设备。人体运动产生的机械能具有连续性、不受环境和天气的限制、无污染等优点。摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电效应和静电感应原理，能够将机械能转化为电能的新型能量转化技术。摩擦纳米发电机与传统的电磁发电相比具有选材范围广、成本低廉、效率高、可高效收集低频和无规律的机械能等优点。本文将开发柔软、透气、可穿戴的摩擦纳米发电机来收集人体活动所产生的机械能并转化为电能供给可穿戴电子设备使用，并对其各项性能进行系统的测试。 (1)通过双向拉伸法制备表面具有纳米纤维结构的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)疏水性薄膜。基于这种疏水薄膜制作了柔性的、具有可穿戴编织结构的单电极摩擦纳米发电机。作为可穿戴的摩擦纳米发电机，可洗性是衡量其能否实际应用的一个重要指标。由于其具有疏水的表面结构，可以实现快速洗涤和快速干燥的功能。在可洗性测试中，被污染的摩擦纳米发电机可以快速、简单地被洗净和干燥，并且可以经受多次的洗涤实验。在发电性能的测试中，一块10cm×12cm的摩擦纳米发电机缝在一件衣服上，当人们摆臂时，腋下部位的衣服与该摩擦纳米发电机通过摩擦发电，所输出的开路电压为1050V，短路电流为22μA。所产生的电能可以直接点亮由54个商用绿色发光二极管(Light Emitting Diode，LED)组成的夜跑灯或驱动一块无电池的电子手表正常运行。 (2)利用静电纺丝的方法制备表面具有纳米纤维结构的聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)薄膜。通过静电纺丝技术将PVDF溶液在电场力作用下拉成丝并沉积在带有导电胶层的金属电极上，使PVDF薄膜与电极无缝结合在一起。再利用剪纸工艺制备出具有高拉伸度的柔性电极。这种结构的电极可以实现三维拉伸或220％的平面拉伸度。把铜箔贴在衣服上作为另一个电极，当衣服的棉纤维与PVDF薄膜接触时可将人体活动的机械能转化为电能。一块大小为2cm×2cm的摩擦纳米发电机在30Hz机械作用下的开路电压可达到840V，并且随着接触力的增大，摩擦纳米发电机的输出也随之增大。将该摩擦纳米发电机穿戴在人身上，其吸收人体活动的机械能并转化为电能，而产生的电能可以存储在一个基于锂电池的储能系统中，当存储的电能积累到一定的程度时，可以实现为运动手环和智能手机充电。