DOI: 10.1021/acsami.0c17512
從微電容器形成的角度理解摩擦電荷積累對于提高摩擦納米發電機(TENG)的輸出性能起著至關重要的作用。本文報道了一種由具有優良介電常數和高表面電荷密度的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)/MXene納米復合材料制備而成的電紡納米纖維基TENG(EN-TENG)。從理論和實驗上研究了介電性能對EN-TENG輸出性能的影響。當匹配的外部負載電阻為4mΩ時,EN-TENG的最大功率密度為4.02W/m2。PVDF-TrFE/MXene納米復合材料使EN-TENG的輸出性能提高了四倍。通過收集人手指敲擊產生的能量,EN-TENG可成功為電子秒表和溫濕度計供電。此外,它在智能家居應用中可充當控制家用電器的自供電開關,包括火災報警器、風扇和智能門。這項工作為自供電系統、人機界面和智能家居應用提供了一種有效的新方法。
圖1.(a)MXene納米片的示意圖,PVDF-TrFE的分子結構,以及復合材料內部被PVDF-TrFE鏈包圍的MXene片的示意圖。(b)EN-TENG的3D示意結構以及Nylon-11納米纖維和PVDF-TrFE/MXene納米纖維的FESEM圖像。(c)EN-TENG的數碼照片。(d)具有不同MXene填料濃度的PVDF-TrFE的XRD分析。(e)純PVDF-TrFE和PVDF-TrFE/MXene復合材料的FTIR分析。(f)MXene體積分數為10%的PVDF-TrFE復合材料C1s區的XPS光譜。
圖2.(a)EN-TENG的工作機制以及在按壓和釋放期間電路中電荷的流動。(b)EN-TENG在不同階段電勢分布的有限元模擬。(c)分隔距離與EN-TENG的最大輸出電壓之間的關系。(d)不同間隙距離下的轉移電荷量圖。(e)模擬EN-TENG摩擦電層厚度對電壓的影響。復合納米纖維的介電性能對不同MXene體積含量的依賴性。(f)介電常數和(g)介電損耗。(h)在共聚物(PVDF-TrFE)基質中,低濃度MXene形成的微電容器和高濃度MXene形成的導電通道。
圖3.振動臺試驗裝置下EN-TENG的電輸出特性。(a)在7N施加力下,EN-TENG在6Hz頻率下的開路電壓。(b)在7N施加力下,EN-TENG在6Hz頻率下的電流密度。(c)在7N施加力下,以6Hz的頻率對EN-TENG進行充電。(d)在相同輸入條件下按壓和釋放時EN-TENG的電壓波形。(e)在相同輸入條件下按壓和釋放時EN-TENG的電流波形性質。(f)在添加不同濃度MXene的情況下輸出峰間電壓的變化。(g)TENG的電荷密度對不同MXene濃度的依賴性。(h)EN-TENG的電壓與納米纖維墊厚度的關系。(i)納米纖維墊的靜電紡絲時間。(j)在各種頻率和7N施加力下相應開路電壓的變化。(k)在各種頻率和7N施加力下相應電流密度的變化。(l)在6Hz的工作頻率以及各種作用力下相應峰間電壓的變化。
圖4.在7N施加力下,EN-TENG在6Hz頻率下的電輸出特性。(a)在不同外部連接負載條件下,EN-TENG的輸出電壓和電流的變化。(b)4MΩ外部負載下的峰值輸出電壓。(c)比較EN-TENG在不同外部連接負載下的峰值功率和功率密度。(d)EN-TENG在不同功率密度下的輸出性能比較。在7N施加力和6Hz工作頻率(e)電壓和(f)電流下,EN-TENG在20,000個工作循環期間的穩定性和耐久性測試。
圖5.展示了EN-TENG作為一種自我維持電源,用于通過清除生物動能驅動智能家居應用中的電子設備。(a)系統圖中的EN-TENG和各種組件集成為一個智能開關,在智能家居中操作多種電子設備。(b)電容器充電系統的電路原理圖,該系統將由EN-TENG獲得的能量為電子設備供電。(c)具有不同電容值的TENG的電容器充電曲線。(d)由EN-TENG充電并為秒表供電的10μF電容器的輸出電壓曲線。(e)由EN-TENG充電并為溫濕度計供電的10μF電容器的輸出電壓曲線。(f)通過人手指敲擊EN-TENG點亮130個紅色LED的攝影圖像以及相應的電輸出(Voc和Isc)。(g)EN-TENG用作自供電開關,用于打開/關閉智能家居應用中的電風扇。(h)在電風扇的開/關切換過程中對應的輸出信號。(i)EN-TENG用作自供電開關,用于打開和關閉智能家居中的智能門。(j)智能門的相應輸出信號(開/關)。