苏州大学孙旭辉团队：寒冬可穿戴自发电技术——基于抗冻水凝胶的可拉伸摩擦纳米发电机

目前我们使用的便携式电子器件大多采用锂离子电池，当气温过低时，普通的电池容量会衰减，当达到-10℃时，电池容量可能衰减到原来一半，严重影响电子设备的可持续使用。一种有效的解决方案，就是可以不断收集环境中的能量为电子设备供电，可穿戴摩擦纳米发电机（TENGs）的诞生为这种方案提供了可行的技术支撑。

特别是具备可拉伸特性的柔性TENG，可将人体大幅度运动产生的机械能转化为电能。但是，传统的可拉伸TENG主要由低杨氏模量弹性体摩擦材料和凝胶类电极材料，在低于零度条件下，其可拉伸性和电学输出性能会严重下降，为TENG在低温下的应用带来了极大的挑战。因此，研制出抗低温的柔性可拉伸TENG来高效收集低人体机械能量的需求是迫切的。

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）孙旭辉教授研究团队提出了一种基于抗冻水凝胶的柔性可拉伸摩擦纳米发电机（AH-TENG），用于高效收集零度以下人体运动机械能。根据离子的依数性，通过调控LiCl在水凝胶中的含量，降低了水凝胶的玻璃化转变温度，从而实现水凝胶材料的低温抗冻特性。

低温没有对器件的可拉伸性和电极导电性产生影响，在-20℃时，转移电荷密度达到10 nC cm^-2与室温保持一致，并可最低在-62℃正常工作。在2.5 Hz运动下产生285 V开路电压和15.5 μA短路电流的输出，其瞬时输出功率可达626 mW/m²，该成果以“Anti-freezinghydrogel based stretchable triboelectric nanogenerator for biomechanical energyharvesting at subzero temperature ”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》 上。苏州大学博士生鲍德全为该论文的第一作者。

该复合水凝胶以丙烯酰胺AM为单体，再加入羟乙基纤维素HEC作为物理交联剂进行聚合。经测试HEC与聚合后的聚丙烯酰胺发生氢键交联，从而增大了力学强度。并且可以看出随着水凝胶加入LiCl量的增加，水凝胶的玻璃化转变温度逐步降低。当LiCl浓度为3 M时，水凝胶玻璃化开始转变温度低至-62°C。同时研究了LiCl对水凝胶里力学性能的影响。图f,g可以看到纯水凝胶在冷冻后形成白色冰晶失去弹性，而掺杂LiCl的改性水凝胶冷冻后依然具备弹性，既实现了抗冻性能。

作为生物机械能搜集装置，在单电极工作模式下，AH-TENG可以输出285 V的开路电压，90 nC的转移电荷量，15.5 μA短路电流的输出，其瞬时输出功率可达626 mW/m²。

基于此抗冻水凝胶所制备的AH-TENG具备优秀的柔性可拉伸性能，可以看到AH-TENG拉伸后比原始尺寸多出150%的伸长率。并且随着拉伸，电输出性能没有损失而是得到进一步的提高。AH-TENG柔性可拉伸性能使得其作为可穿戴设备在低温下更好的与人体组织共形接触。AH-TENG进一步在冰雪实际低温环境下检验了自身能够作为可穿戴能量收集器件收集人体机械能，同时相比于室温，低温环境下的电学输出并未降低。

该研究工作为设计在低温环境下收集人体机械能柔性可穿戴能源提供了一种可行的思路，极大的扩展了柔性可穿戴TENG在低温下的温度适应性。

全文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta03215h#!divAbstract