《AM》賓大張圭貞/王青、武漢理工陳文：水凝膠離子二極管用于獲取超低頻機械能

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關注 2021年7月26日 13:23

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【摘要】

從人體運動中收集能量被認為是為便攜式電子設備、生物醫學設備和物聯網智能對象供電的一種很有前途的協議。然而，最先進的機械能量收集設備通常以遠遠超出人類活動頻率的頻率 (>10 Hz) 運行。最近， 武漢理工大學 陳文教授 ，與 賓夕法尼亞大學張圭貞 （音： Chang Kyu Jeong ） / 王青（音：Q ing Wang ）教授 團隊共同 提出了由 水凝膠中陰離子和陽離子離聚物的層狀結構形成的水凝膠離子二極管 。正如有限元分析所證實的那樣， 水凝膠離子二極管的潛在機制涉及由可移動的陽離子和陰離子形成耗盡區，以及隨后響應機械壓力而增加耗盡區的內置電位 。

由于嵌入的碳納米管和銀納米線電極提高了離子整流率，水凝膠離子二極管在 0.01 Hz 時表現出 ≈5 mW cm ^-2 的功率密度和 ≈4 mC cm ^-2 的電荷密度，優于電流幾個數量級的能量收集裝置。展示了自供電水凝膠離子二極管在觸覺傳感、壓力成像和觸摸板中的應用，傳感限制低至 0.01 kPa。這項工作有望為電子和能源設備中基于離子電流的離子電子學開辟新的機會。相關論文以題為 Hydrogel Ionic Diodes toward Harvesting Ultralow-Frequency Mechanical Energy 發表在《 A dvanced Materials 》上。

【主圖導讀】

圖1 a) 水凝膠離子二極管的示意圖。b）自供電水凝膠裝置（頂部）和模制水凝膠納米復合材料的照片。c,d) 含有 PSSNa (c) 和 PDACl (d) 的水凝膠納米復合材料的 SEM 圖像。插圖：離聚物結構。

圖2 a) 在初始狀態或應力減小和機械釋放狀態下，圖示顯示了離子二極管的電氣行為和響應，包括電位圖。b) 離子二極管中 Na ⁺ 和 Cl ^- 的定量濃度分布，c) 空間電荷密度，以及 d,e) 在初始和釋放狀態下模擬的離子二極管內的電位梯度。f) 在外部機械應力下，帶電路電荷流動的離子二極管的電狀態原理。g) 離子二極管中 Na ⁺ 和 Cl ^- 的濃度分布，h) 空間電荷密度，以及 i,j) 在應力狀態下計算的離子二極管內的電位分布。

圖3 a-c) 具有正向連接 (a) 的能量收集測量示意圖，用于電位電壓 (b) 和電流密度 (c) 信號。d-f) 使用反向連接 (d) 測量電位電壓 (e) 和電流密度 (f) 信號。g) 作為 AgNWs 含量的函數的離子二極管的整流比。插圖：無 CNT 與 AgNWs 含量的器件的整流比。h) 各種輸入機械頻率下的電壓和電流性能。i) 離子二極管的耐久性測試，循環次數為 100 次，頻率為 0.01 Hz。

圖4 a,b) 之前報道的高輸出低頻機械能采集器與電流密度 (a) 和功率密度 (b) 的這項工作之間的比較。

圖5 a) 在不同的外部壓力下產生的電壓和電流輸出。b）纏繞在手臂上的自供電水凝膠觸覺傳感器陣列的照片。c）壓力成像顯示通過自供電水凝膠傳感器陣列檢測泡沫聚苯乙烯文本框。d）由外圍計算機接口和電路（左面板）組成的自充電水凝膠觸摸板示意圖，在觸摸板屏幕上拖動光標的靜止圖像（右面板）。

【總結】

團隊開發了水凝膠離子二極管，由瓊脂糖中的層狀陽離子和陰離子離聚物組成， 由 PTFE 膜隔開，其表現出類似于 p-n 半導體結的移動離子的熵消耗和整流行為。有限元計算證實了水凝膠離子二極管的潛在機制。 嵌入的 CNT 和 AgNW 電極產生了出色的整流比，因此，出色的機械能收集性能在 0.01 Hz 時超過了當前機械能收集器的幾個數量級。此外，整流水凝膠離子二極管在原型自供電設備中的應用也得到了證明。水凝膠離子二極管的概念，在材料選擇和結構設計方面進一步優化，有望成為一種新的超低頻高效能量收集形式，也可以應用于其他離子能源設備，包括燃料電池和電池。預計水凝膠電離電子學將使新型的基于離子電流的柔性和可穿戴設備成為可能，用于傳感、軟機器人、人機界面和能量收集。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adma.202103056