近來，關于柔性電子、仿生電子、軟體機器人的研究方興未艾，隨之而來的一大難題是：如何給這些軟體器件供電？傳統的二次電池、太陽能電池等都很難匹配這些器件的多功能性，例如：高的拉伸形變能力、高透明度、甚至自愈合功能。盡管目前很多研究在一定程度上實現了各類柔性能源器件，但由于各自材料選擇和結構設計的限制，這些能源器件很難同時兼具這三種功能。

中科院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員、胡衛國研究員和王中林院士團隊近來報道了一種基于摩擦起電與靜電感應效應的摩擦納米發電機（TENG），該能源器件同時具有高拉伸形變能力、高透明度和自愈合功能。該工作首先制備了一種具有自修復功能、透明的彈性體（H-PDMS），該彈性體為含有亞胺鍵的PDMS（如圖1），基于席夫堿反應，含有可逆亞胺鍵的PDMS彈性體在受損后可自發高效愈合，愈合過程可在室溫下完成，無需加熱、光照等外界刺激，機械彈性愈合效率可達94%。

圖1. 制備的彈性體的自愈合機制。

隨后，他們制備了銀納米線和PEDOT:PSS復合膜作為導電電極。盡管復合導電膜本身不具備延展性，但通過預拉伸轉移—預應力釋放—彎曲褶皺的方法（圖2），可制備具有褶皺狀的Ag-PEDOT復合電極，從而使電極及最終的器件具有可拉伸變形性能，電極在預應力范圍內拉伸，電阻大小幾乎沒有變化。由于基底H-PDMS具有自愈合功能，受損后基底的修復過程會帶動斷裂的Ag-PEDOT復合電極重新實現電接觸（圖3），從而實現電極的電愈合。相比于平整的電極膜，褶皺狀結構的Ag-PEDOT導電層在外界應力下機械損傷小，因而具有更穩定的電愈合性能，使用刀片切斷3次后均能恢復導電，電阻升高約60~170%每次。此外，該工作研究了預拉伸應力大小與器件透光度之間的聯系。

圖2. 自愈合、透明、可拉伸摩擦納米發電機的制備、結構示意圖。

圖3. 褶皺狀電極的電愈合示意圖、及愈合前后的對比照片，其中（i）是切口，（ii-iv）愈合后的照片。比例尺：（i-iii）100 μm、（iv）10 μm。

最終他們制備了具有三明治結構的單電極摩擦納米發電機，愈合前后發電輸出可100%恢復（圖4），在50%拉伸應變范圍內保持穩定的輸出性能，透明度可達73%，并且其透明性和拉伸性能還可以通過對H-PDMS基體材料預拉伸應力大小來調節。該發電機具有高達100 V的電壓輸出，可輕松點亮數十盞LED 燈，并為商業電容器充電，該工作示例了其作為能源皮膚的潛在應用。

圖4. 發電機的拉伸性能（a, b）及自愈合性能（c, d）。

該工作發表在ACS Nano 上，論文第一作者為孫江曼博士。

參考文獻：

Self-Healable, Stretchable, Transparent Triboelectric Nanogenerators as Soft Power Sources，ACS Nano, 2018, 12, 6147–6155, DOI: 10.1021/acsnano.8b02479

來源：X-mol