多功能離子凝膠纖維膜用于能量離電皮膚

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2023-05-1909:26開發(fā)多功能、高靈敏度的傳感器有利于促進柔性電子器件和人機交互系統(tǒng)的發(fā)展。研究人員正在致力于探索能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的檢測、多功能和低功耗的主動式傳感材料。近年來，柔性傳感器已被廣泛應用于各種先進設備中，高靈敏度的柔性壓力傳感器對于實現(xiàn)靈敏和有效的檢測至關重要。近日，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和孫其君研究員團隊展示了一種多功能的離子凝膠纖維膜，用于構(gòu)建離子電容式傳感器和TENG，以實現(xiàn)多功能應用，包括應變映射、脈搏檢測、動態(tài)監(jiān)測和能量采集。所制備的離電傳感器（iontronicsensor）具有穩(wěn)定的良好靈敏度和可重復性，可以有效地檢測人手腕處的脈搏波形，并能夠通過電容式傳感矩陣映射壓力分布。離電TENG展示出54.56μW的最大峰值功率，可以很好地為便攜式電子設備供電。此外，所制備的離電TENG陣列可以實現(xiàn)交互式、快速響應和精確的動態(tài)監(jiān)測，這拓寬了對直接和有效的傳感設備的探索。所展示的多功能離子凝膠纖維膜有望為生理檢測、生物力學能量采集、人機交互和自供電監(jiān)測系統(tǒng)提供一種出色的方案。該成果以“VersatileIon-GelFibrousMembraneforEnergy-HarvestingIontronicSkin”為題發(fā)表在AdvancedFunctionalMaterials上。

圖1.離子凝膠纖維膜的結(jié)構(gòu)和應用示意圖。a）離子凝膠纖維膜的結(jié)構(gòu)示意圖。b）P(VDF-HFP）和[EMIM][TFSI]的化學結(jié)構(gòu)。c）通過靜電紡絲制備的離子凝膠纖維膜的照片。d–f）具有不同離子液體濃度的離子凝膠纖維膜的光學顯微鏡圖像。g)基于多功能離子凝膠纖維膜的離子電子電容傳感器和TENG的應用示意圖。隨著濃度的增加，更多的離子液滴粘附在纏結(jié)的P(VDF-HFP)纖維上。在后續(xù)測試中，制備的不同離子溶液濃度和膜厚度的離子凝膠膜用來研究離電電容傳感器的性能。圖2.基于離子凝膠纖維膜的兩種不同傳感器的工作原理。a）離電電容器和b）TENG的工作機制。圖3.離電電容傳感器的傳感特性。a）不同的離子液體濃度和b）不同厚度的離子凝膠纖維膜，比電容與頻率的關系。c）傳感器的歸一化壓力靈敏度。d）不同壓力下的歸一化電容變化。e）歸一化電容隨施加壓力的變化。f）傳感器的連續(xù)拉伸循環(huán)。g）傳感器穩(wěn)定性的表征。h）分別在不同溫度下進行穩(wěn)定性測試。i）傳感器對施加應變的響應。離電電容傳感器在低壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度和高穩(wěn)定性。圖4.離電TENG的電學輸出性能。a）離電TENG與丁腈接觸過程的示意圖。b）用于交互式控制的TENG觸覺陣列的工作過程示意圖。c）不同尺寸的離電TENG的電信號。離電TENG在接觸分離模式下的的電學輸出，包括d）ISC、e）VOC、和f）QSC。g）連接不同外部負載時電流和電壓之間的關系。h）瞬時功率作為外部負載電阻的函數(shù)。（i）離電TENG為不同的商用電容器充電曲線。離電TENG的最大功率為54.5μW，可用于能量采集和為商用電容器充電，通過與微控制器集成，可用于交互式的動態(tài)監(jiān)測。圖5.離電電容傳感器和離電TENG的交互應用。a）4×4像素的傳感矩陣和相應的應變傳感分布。b）人體脈搏信號的檢測波形。c）離電TENG陣列的電信號。d）由九個離電TENG組成的動態(tài)監(jiān)測陣列的操作和軌跡示意圖。e）離電TENG自供電系統(tǒng)的等效電路圖。f）在離電TENG為電容器充電和為電子手表供電時對電容器電壓進行實時測試。g）通過離子電子TENG為電子手表供電，以及（h）為溫濕度計供電。多功能離子凝膠纖維膜表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和便利性，通過與微控制器集成，有望用于更簡便、