Verbetering van tribo-elektrische energie-oogst: Een uitgebreide review van dielectrische polarisatietechnieken

Samenvatting

Energie-oogstapparaten gebaseerd op het tribo-elektrische effect hebben grote aandacht getrokken vanwege hun hogere uitvoerprestaties vergeleken met andere nanogeneratoren, die in diverse draagbare toepassingen worden gebruikt. Gebaseerd op het werkingsmechanisme is de tribo-elektrische prestatie hoofdzakelijk evenredig aan de oppervlakteladingdensiteit van de tribo-elektrische materialen. Verschillende benaderingen, zoals modificatie van de oppervlaktefunctionele groep en dielectrische samenstelling van de tribo-elektrische materialen, zijn ingezet om de oppervlakteladingdensiteit te verbeteren, wat leidt tot verbeteringen in tribo-elektrische prestaties. Opvallend is dat het afstemmen van de dielectrische eigenschappen van tribo-elektrische materialen de oppervlakteladingdensiteit aanzienlijk kan verhogen, omdat de oppervlaktelading evenredig is met de relatieve permitiviteit van het tribo-elektrische materiaal. De relatieve dielectrische constante wordt gewijzigd door dielectrische polarisatie, zoals elektronische, trilling (of atomaire), orientatie (of dipolaire), ionische en interfaciale polarisatie. Daarom vertegenwoordigt zulke polarisatie een kritieke factor naar verbetering van de dielectrische constante en gevolglike tribo-elektrische prestaties. In deze review samenvatten we de recente inzichten in de verbetering van tribo-elektrische prestaties via versterkte dielectrische polarisatie.

Inleiding

Piezo-elektrische, pyro-elektrische en tribo-elektrische apparaten hebben grote aandacht getrokken als energie-oogstapparaten voor stroomopwekking uit de omringende omgeving, zoals water, wind, licht, temperatuur en trilling. Naast de stroombronnen kunnen deze apparaten worden gebruikt als zelfgevoede sensoren voor diverse toepassingen zoals elektronische huiden, gezondheidsmonitoringapparaten en robotica. Onder hen tonen tribo-elektrische apparaten relatief hogere uitvoerprestaties wanneer een paar tribo-elektrische materialen in contact komen. De geproduceerde tribo-elektrische signalen kunnen worden gebruikt voor het direct bedienen van elektrische apparaten of het monitoren van mechanische of chemische stimuli op de apparaten. De tribo-elektrische apparaten kunnen eenvoudig ontworpen worden voor de eenvoudige fabricage, lage kosten, uitstekende uitvoerprestaties en flexibiliteit vergeleken met andere technologieën, wat voordelig is voor zelfgevoede draagbare toepassingen.

Tribo-elektriciteit treedt op door contactelektrificatie en electrostatische inductie tussen verschillende tribo-elektrische materialen. De mechanische contact induceert de gecompenseerde tegenovergestelde ladingen op elke tribo-elektrische laag door contactelektrificatie, en de mechanische scheiding resulteert in de stroomstroom door het externe circuit door electrostatische inductie. Daarom wordt de tribo-elektrische uitvoerprestaties direct beïnvloed door de oppervlakteladingen op tribo-elektrische lagen.

Voor hoge tribo-elektrische uitvoerprestaties zijn efficiënte oppervlakteladingsgeneratie tijdens contactelektrificatie en effectieve ladingsoverdracht tijdens electrostatische inductie noodzakelijk. Daarom is het cruciaal om geschikte tribo-elektrische contactpaarmaterialen te selecteren en optimale apparaatstructuren te ontwerpen. Gebaseerd op hun werkingsmechanisme, zijn vier verschillende typen tribo-elektrische apparaten bestaande uit dielectrische materialen als tribo-elektrische lagen gerapporteerd. Er zijn twee categorieën tribo-elektrische apparaten gebaseerd op de typen tribo-elektrische contactpaarmaterialen: dielectrisch-naar-dielectrisch en geleider-naar-dielectrisch contactmodus apparaten (Fig. 1a). In de eerste worden twee dielectrische platen, met diktes d₁ en d₂, alsook relatieve dielectrische constanten ε_r,1 en ε_r,2, respectievelijk, face-to-face gestapeld als tribo-elektrische lagen, en de elektrodelagen worden gedeponeerd op het buitenste dielectrische oppervlak. De afstand (x) tussen de twee tribo-elektrische lagen varieert onder een periodieke mechanische kracht.

Vervolgens hebben de gecontacteerde tribo-elektrische laagoppervlakken tegenovergestelde oppervlakteladingen maar dezelfde dichtheid (σ) door contactelektrificatie. Wanneer de tribo-elektrische lagen beginnen te scheiden van elkaar door de toenemende afstand, wordt een potentiaalverschil (V) geïnduceerd tussen de twee elektroden door de hoeveelheden overgedragen positieve/negatieve ladingen (+Q/–Q). Op dezelfde manier, in de geleider-naar-dielectrisch contactmodus zonder de dielectrisch 1 laag, wordt metaal 1 gebruikt als zowel de bovenste tribo-elektrische laag als de bovenste elektrode. In deze apparaatstructuur zijn er twee delen ladingen in metaal 1: de tribo-elektrische ladingen (\(S \times \sigma\)) en de overgedragen ladingen tussen de twee elektroden (–Q), wat leidt tot (\(S\sigma - Q\)) van de totale ladingen in metaal 1. Rekening houdend met de contactmodus tribo-elektrische apparaten die hierboven genoemd zijn, kan de uitvoerprestatie worden afgeleid op basis van electrodynamica als volgt:

$$V = - \frac{Q}{{S\varepsilon_{0} }}\left( {d_{0} + x\left( t \right)} \right) + \frac{\sigma x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }}$$ (1)

$$\begin{aligned}&V_{{{\text{OC}}}} = \frac{\sigma \cdot x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }},\quad { }I_{{{\text{SC}}}} = \frac{{{\text{d}}Q_{SC} }}{{{\text{d}}t}},\\&{ }Q_{{{\text{SC}}}} = \frac{S\sigma x\left( t \right)}{{d_{0} + x\left( t \right)}},\quad { }d_{0} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^{n} \frac{{d_{i} }}{{\varepsilon_{r,i} }}{ }\end{aligned}$$ (2)

De effectieve dielectrische dikte d₀ wordt gedefinieerd als de sommatie van alle diktes van dielectrisch d_i gedeeld door zijn relatieve permitiviteit ε_r,i. Gebaseerd op Verg. 2 wordt de tribo-elektrische prestatie direct beïnvloed door de oppervlakteladingsdensiteit (\(\sigma\)) van de dielectrische lagen.

Eerder is gerapporteerd dat oppervlaktemodificatie van tribo-elektrische materialen of de introductie van hoog-dielectrische materialen de oppervlakteladingsdensiteit kan verhogen. Oppervlaktemodificatie, zoals de controle van oppervlaktemorfologie of de introductie van geladen ionen, verhoogt de oppervlakteladingsdensiteit door het vergroten van het oppervlaktegebied of de tribo-elektrische polariteit tussen de tribo-elektrische paarlagen. Naast het afstemmen van de oppervlakte-eigenschap, kan een toename van de dielectrische constante de capaciteit van de dielectrische laag verbeteren, wat resulteert in een toename van de oppervlakteladingsdensiteit. In een parallel-plaat condensator model kan de oppervlakteladingsdensiteit gerelateerd worden aan de capaciteit van de dielectrische laag als volgt:

$$\sigma=\frac{CV}S,\quad C=\frac{S\varepsilon\varepsilon_0}d$$ (3)

waar C en S de capaciteit en contactoppervlakte respectievelijk aangeven. Uit Verg. 3, aangezien de capaciteit (C), een factor die de oppervlakteladingsdensiteit in een dielectrische contactmodus tribo-elektrisch apparaat kan verbeteren, toeneemt met de dielectrische constante en/of de vermindering van de dikte van de dielectrische laag, is de oppervlakteladingsdensiteit direct evenredig aan de verhouding van de dielectrische constante tot de dikte (ε/d). Op dezelfde manier, in het tribo-elektrische apparaat, kan de capaciteit van de tribo-dielectrische laag worden uitgedrukt vanuit Verg. 2 als:

$$C=\frac{Q_\text{SC}}{V_\text{OC}}=\frac{\varepsilon_0S}{d_0+x\left(t\right)}$$ (4)

Bijvoorbeeld, het gebruik van een poreuze dielectrische laag in een tribo-elektrisch apparaat is een efficiënte manier om de ε/d verhouding aanzienlijk te verbeteren door de dielectrische constante tegelijkertijd te verhogen en de dikte te verminderen wanneer de dielectrische laag onder externe druk wordt ingedrukt, wat de oppervlakteladingsdensiteit significant verhoogt zelfs wanneer dezelfde tribo-elektrische lagen worden gebruikt. Daarom is de dielectrische constante van de tribo-elektrische laag een effectieve factor om de oppervlakteladingsdensiteit te verbeteren, beter dan het oppervlaktepotentieel bepaald door de selectie van tribo-elektrische paarmaterialen.

Hoewel de dielectrische constante van een tribo-elektrisch materiaal een belangrijke factor is in de verbetering van tribo-elektrische prestaties, zijn er geen uitgebreide discussies geweest over de principes en strategieën om de dielectrische constante te verhogen. Eerder zijn diverse uitstekende reviews over tribo-elektrische apparaten, inclusief tribo-elektrische materialen en hun werkingsmechanismes, gerapporteerd; echter, slechts enkele studies over dielectrische-geïnduceerde tribo-elektrische apparaten zijn tot nu toe gerapporteerd. Hier introduceren we de basisprincipes van dielectrische polarisatie en tonen aan dat de uitvoerprestaties van tribo-elektrische apparaten significant gecontroleerd en verbeterd kunnen worden door het ontwerp van dielectrische materialen met gecontroleerde dielectrische polarisatie.

Dielectrische polarisatie voor verbeterde tribo-elektrische prestaties

De dielectrische constante (of relatieve permitiviteit) wordt gedefinieerd als een factor waardoor het toegepaste elektrische veld wordt verminderd door de dielectrische polarisatie van materialen, wat kan worden verbeterd door dielectrische materialen te ontwerpen door de introductie van dielectrische additieven of de modificatie van chemische structuren, wat leidt tot diverse dielectrische verschijnselen. Dielectrische polarisatie kan worden onderverdeeld in elektronische, trilling (of atomaire), orientatie (of dipolaire), ionische en interfaciale polarisatie (Fig. 1b). Elektronische en atomaire polarisaties worden geïnduceerd door de vervorming van negatieve elektronen en positieve kernen in een atoom in een tegengestelde richting tot het externe elektrische veld, waardoor elektrische dipoolmomenten worden verkregen, die optreden in het resonantie regime boven de infrarood frequenties (> 100 GHz). Als polarisatie-gebaseerde materialen, zoals halfgeleiders, geen dielectrische verlies hebben onder 1 GHz, zijn ze het meest gewenst voor praktische toepassingen variërend van een paar Hz tot 1 GHz. Echter, de meeste organische polymeren vertonen lagere dielectrische constanten (< 10) dan halfgeleider materialen vanwege de intrinsieke aard van hun moleculaire binding, die geen elektronische en atomaire polarisatie kan induceren. Om elektronische en atomaire polarisaties in de polymeren verder te induceren, moeten de polymere ketenstructuren grotere atomen met polariseerbare elektronen, zoals Si, Ge of Sn, bevatten dan de basispolymere samenstellingen. Hoewel Si-gebaseerde polymeren, zoals polysiloxanen of hun derivaten, gesynthetiseerd worden, is de dielectrische constante niet groter dan 3-4. Daarom is het moeilijk om de elektronische/atomaire polarisatie in isolerende polymeren te verhogen.

In polymeren, terwijl de elektronische en atomaire polarisaties beperkt zijn in het verbeteren van de dielectrische constante vanwege de intrinsieke moleculaire bindingstructuur, kunnen de andere dipolaire, ionische en interfaciale polarisaties worden benut om de dielectrische constante te verbeteren. Dipolaire (orientatie) polarisatie wordt veroorzaakt door de heroriëntatie van permanente moleculaire dipoolmomenten in de polymeren of nanocomposieten inclusief nanodeeltjes of dipolaire moieties, wat beïnvloed wordt door de fasestructuren (amorf of kristallijn), temperatuur en frequentie (meestal < 10 MHz). De modificatie van dipoolstructuren maakt de bereiding van dipolaire glas, ferro-elektrische en relaxor ferro-elektrische polymeren mogelijk. Bijvoorbeeld, de dipooloriëntatie van polyvinylidene fluoride (PVDF)-derivaten leidt tot de vorming van een β-fase, wat de dielectrische constante verhoogt, wat de tribo-elektrische prestaties verbetert. Ionische polarisatie kan worden veroorzaakt door relatieve verplaatsingen tussen positief en negatief geladen ionen onder een externe kracht. Daarom kunnen polymeren met ionische componenten worden gebruikt om de capacitieve prestaties te verbeteren door ionische polarisatie. Bijvoorbeeld, de ionische componenten (bijv. NaCl en LiCl) in hydrogelen worden gepolariseerd onder een extern veld, wat leidt tot de vorming van elektrische dubbele lagen, wat resulteert in de verbetering van tribo-elektrische prestaties. Interfaciale polarisatie wordt geïnduceerd door de herorganisatie van ruimteladingen aan interfaces in dielectrische composieten. Daarom is interfaciale polarisatie waarneembaar in alle multicomponent dielectrische systemen, inclusief semi-kristallijne polymeren, polymermengsels of nanocomposieten met hoge-k of geleidende nanovullers. Recentelijk zijn polymernanocomposieten met hoge-k nanodeeltjes, die de netto dielectrische constante verbeteren, leidend tot de verbetering van de oppervlakteladingsdensiteit, en dus de tribo-elektrische prestaties, gebruikt in tribo-elektrische apparaten. In de volgende secties introduceren we enkele voorbeelden om de verbetering van tribo-elektrische uitvoerprestaties door een toename van de dielectrische constante te demonstreren.

Interfaciale polarisatie in hoge-permittiviteit nanodeeltje/polymeer composieten

Hoog-permittiviteit nanodeeltjes worden gebruikt om de dielectrische constanten van polymeer nanocomposieten te verbeteren door de polarisatie aan de interface tussen het polymeer en de nanodeeltjes. Omdat anorganische (bijv. bariumtitaan (BaTiO₃) nanodeeltjes en nanodraden) of geleidende (bijv. metaalnanodeeltjes, koolstofnanobuizen en grafeen) nanomaterialen breed worden gebruikt in polymermatrices om de netto dielectrische constante te verhogen, hebben polymeercomposieten met diverse additieven hogere dielectrische constanten dan basispolymeren, wat leidt tot verbeterde tribo-elektrische prestaties. Chen et al. bereidde een sponsachtige polydimethylsiloxaan (PDMS) film, inclusief hoge-k nanodeeltjes (SiO₂, TiO₂, BaTiO₃ en SrTiO₃), om tribo-elektrische prestaties te verbeteren (Fig. 2a). Omdat SrTiO₃ hogere permitiviteit vertoont dan de anderen, vertoont PDMS met SrTiO₃ een hogere dielectrische constante. Dit kan ook worden veroorzaakt door de ruimteladingspolarisatie aan de interface tussen de PDMS en SrTiO₃ deeltjes. Opvallend is dat de tribo-elektrische uitvoerprestaties verbeterd worden door de toename in capaciteit door de verhoogde ε_r/d_PDMS tijdens het contactproces. Naast dielectrische nanodeeltjes, worden verschillende soorten hoge-permittiviteit materialen, zoals Al-gedopeerd BaTiO₃ en CaCu₃Ti₄O₁₂, toegepast in de tribo-elektrische lagen, wat leidt tot een verbeterde dielectrische constante en de resulterende tribo-elektrische prestaties (Fig. 2b). Aan de andere kant, stelt de toevoeging van geleidende materialen de vorming van micro-condensatorstructuren in de polymermatrix in staat, wat ruimteladingsaccumulatie aan de interface tussen de polymermatrix en additieven kan induceren. Dit type interfaciale polarisatie wordt veroorzaakt door het grotere verschil in geleidbaarheid tussen het polymeer en geleidende additieven.

Daarom vertonen polymeercomposieten met metaal- of koolstofgebaseerde materialen verhoogde dielectrische constanten in vergelijking met zuivere polymeren, wat leidt tot de verbetering van de oppervlakteladingsdensiteit en de resulterende tribo-elektrische prestaties (Fig. 3). Hoewel hoge-permittiviteit polymeercomposieten breed worden gebruikt als tribo-elektrische negatieve materialen, zijn er enkele beperkingen met betrekking tot het verbeteren van de uitvoerprestaties: (1) Er is een geoptimaliseerde verhouding van additieven in de polymermatrix omdat exces additieven lekkagestroom veroorzaken of het wrijvingsoppervlaktegebied verminderen, wat resulteert in een afname van de uitvoerprestaties. (2) De additieven moeten homogeen gedispergeerd zijn in de polymermatrix om de interfaciale polarisatie te verbeteren, omdat geaggregeerde nanodeeltjes de interfaciale polarisatie onderbreken door de reductie van het interfacegebied tussen het polymeer en de nanodeeltjes.

Interfaciale polarisatie in meervoudige polymeerfilms

Voor willekeurige fasenanodeeltje/polymeercomposieten is interfaciale polarisatie moeilijk te controleren omdat het precies controleren van het bedrag en de dispersie van nanodeeltjes vereist is. In meervoudige dielectrica kan interfaciale polarisatie eenvoudig worden gecontroleerd omdat alle interfaces loodrecht staan op het elektrische veld, wat resulteert in uniforme ruimteladingsaccumulatie aan de meervoudige interfaces en verhoogde dielectrische constante. Meervoudige polymeer dielectrica zijn breed onderzocht om hun dielectrische constante te verbeteren via interfaciale polarisatie tussen ongelijke polymeerlagen. Interfaciale polarisatie treedt op wanneer de ruimteladingen (elektronen en ionen) geaccumulerd worden aan de interface tussen twee ongelijke materialen met grote contrasten in permitiviteit en elektrische geleidbaarheid onder een extern veld. Kim et al. en Feng et al. demonstreerden het effect van tweelaagsfilms met een groter verschil in relatieve permitiviteit op de tribo-elektrische uitvoerprestaties (Fig. 4a,b). De toevoeging van lagere dielectrische lagen tussen de geleidende laag en elektrode veroorzaakt ladingvangst of opslag in de dielectrische film, wat leidt tot een verhoogde ladingdensiteit. De ladingaccumulatie kan worden veroorzaakt door de verhoogde polarisatie aan de interface van tweelaagsfilms door het grote verschil in permitiviteit of geleidbaarheid tussen PVDF en isolerende films. Aan de andere kant, demonstreerde onze groep het effect van een tweelaagsfilm bestaande uit polymeren met verschillende fluorineeenheden en polyethyleentereftalaat (PET) isolerende lagen op de uitvoerprestaties (Fig. 4c). Opvallend is dat gefluoreerde polymeren met drie fluorineeenheden in de zijketen (poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate), PTF) gecoateerd zijn op PET-substraten met een lagere dielectrische constante, wat de dielectrische constante verhoogt, veroorzaakt door de verbeterde interfaciale polarisatie aan de interface tussen de semi-kristallijne PTF en PET. Gevolgd vertoonde de PTF-PET een hogere tribo-elektrische prestatie dan de andere gefluoreerde polymermovies. Gebaseerd op de bovengenoemde resultaten, kunnen heterogene dielectrische meervoudige films een robuust ontwerp zijn om de tribo-elektrische prestaties van flexibele of draagbare apparaten te verbeteren.

Ionische polarisatie in ionische polymeergelen

In de polymermatrix inclusief de ionische componenten behalve onzuiverheidsionen, bevordert ionische polarisatie de vorming van een elektrisch dubbele laag (EDL) aan de interface tussen het polymeer-elektrolyt en de elektrode, wat leidt tot de verbetering van de dielectrische constante. Polarizatie wordt vaak gebruikt in energieopslagapparaten, zoals condensatoren (bijv. supercondensatoren of EDL condensatoren) en batterijen. Volgens de Helmholtz-vergelijking kan de capaciteit worden uitgedrukt als C ≈ kε₀/λ, waar k, ε₀, en λ de effectieve dielectrische constante van de EDL, vacuümpermittiviteit en Debye-schermingslengte (of de dikte van de dubbele laag) respectievelijk zijn. In een tribo-elektrisch apparaat worden ionische componenten, zoals symmetrische of asymmetrische ionparen en ionische vloeistoffen, in polymere materialen vaak gebruikt. Aangezien poly(vinylalcohol) (PVA) een type negatief tribo-elektrisch materiaal is vanwege de hydroxgroepen in de polymere ruggengraat, kan het interageren met verschillende typen ionparen. Wanneer een extern elektrisch veld wordt toegepast, kan ionische polarisatie optreden door de relatieve verplaatsingen tussen de positieve en negatieve ionen, wat bijdraagt tot EDL-vorming aan de interface tussen de tribo-elektrische lagen. Ryu et al. bereidde PVA-gebaseerde vaste polymerelektrolyten (SPEs) met symmetrische of asymmetrische ionen als positieve of negatieve tribo-elektrische lagen, respectievelijk (Fig. 5a). Na het contactproces met zuivere PVA, werden verschillende oppervlaktepotentialen systematisch gemeten door het effect van verschillende typen ion-doping. Bijvoorbeeld, de SPEs worden negatieve of positieve tribo-elektrische materialen na de toevoeging van fosforzuur (H₃PO₄) met meer kationen dan anionen of calciumchloride (CaCl₂) met meer anionen dan kationen, respectievelijk, omdat de kationen of anionen additionele elektronen geladen of onbezette toestanden creëren. Praktisch wordt getoond dat een ionische geleider bestaande uit PVA met boraxoplossing of poly(acrylamid) met lithiumchloride wordt toegepast in biomechanische energie-oogst en tastende sensorische toepassingen, wat tribo-elektrische prestaties verbetert door de EDL-vorming (Fig. 5b). Op dezelfde manier fabriceren Zou et al. een bionische rekbare nanogenerator bestaande uit een elastomeer Ecoflex en natriumchloride (NaCl) oplossing geïnspireerd door de structuur van de ionkanalen op het cytomembraan van het elektrolyt in een elektrische aal. Door de effecten van tribo-elektrificatie door vloeistofstroming en electrostatische inductie door gepolariseerde ionen te combineren, oogst het apparaat mechanische energie van onderwater menselijke beweging met een open-circuit spanning van meer dan 10 V. Verder onderzochten Lee et al. de tribo-elektrische prestaties wanneer een nanogenerator verbonden was met een iongel-eenheid samengesteld uit een ionische vloeistof en poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropyleen), wat een brede en trage spanningsprofiel maakte vanwege de grote relaxatietijd van de gepolariseerde ionen (Fig. 5c). Ionische gel-gebaseerde tribo-elektrische apparaten maken de fabricage van ultrareckbare, transparante en waterdichte draagbare apparaten mogelijk, hoewel de apparaten geencapsuleerd moeten worden door de elastomere matrix om ionlekkage te voorkomen.

Dipolaire polarisatie in ferro-elektrische PVDF-derivaten

Dipolaire (orientatie) polarisatie is een andere strategie om de dielectrische constante te verbeteren met lage dielectrische verlies, wat wordt veroorzaakt door het vergrote dipoolmoment door de uitgelijnde dipolen in de fasestructuren van de polymere ketens. Typische voorbeelden zijn PVDF en zijn derivaten. De polymeren hebben permanente dipoolmomenten omdat de eenrichtings β-fase wordt gevormd, wat leidt tot een toename van de dielectrische constante en de resulterende tribo-elektrische prestaties. Cheon et al. demonstreerden hoge-prestaties tribo-elektrische nanogeneratoren gebaseerd op PVDF-zilver nanodraad (AgNW) composiet nanovezels (Fig. 6a). De introductie van AgNW's in PVDF verhoogt de verhouding van de β-fase tot de α-fase door de interactie tussen AgNW's en PVDF moleculaire ketens, wat resulteert in een verbeterde dielectrische constante, wat ladingvangst op de PVDF-AgNW dielectrische laag mogelijk maakt. Naast de metaalbronnen, introduceerden Seung et al. halfgeleider nanodeeltjes (BaTiO₃) in een ferro-elektrische copolymeer matrix (poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), PVDF-TrFE) (Fig. 6b). De tribo-elektrische prestaties worden significant verbeterd na het polingsproces, wat meer dan 150 keer groter is dan die van typische polytetrafluoroetheen-gebaseerde tribo-elektrische nanogeneratoren. In tegenstelling tot de heterogene polymeercomposieten, demonstreerde onze groep recentelijk het effect van ferro-elektrische meervoudige nanocomposieten op tribo-elektrische prestaties (Fig. 6c). De meervoudige dielectrische films bestaande uit afwisselende PVDF-TrFE en BaTiO₃ lagen vertonen een hogere dielectrische constante (17,1) dan de zuivere PVDF-TrFE film (13,9) en enkele PVDF-TrFE/BaTiO₃ nanocomposiet (15,9) vanwege de interfaciale polarisatie tussen de copolymeer en nanodeeltje lagen, zoals uitgelegd in de sectie over de meervoudige dielectrische film (Fig. 4). Opvolgend neemt de tribo-elektrische uitvoerprestatie toe in vergelijking met de enkellaagse films. Hoewel ferro-elektrische polymeer nanocomposieten de tribo-elektrische uitvoerprestaties verbeteren door de verhoogde dielectrische constante door de hoge ferro-elektrische polarisatie, is er een beperking in het verhogen van de uitvoerprestaties vanwege de percolatiedrempel van de additieven.

Aan de andere kant kan het dipoolmoment gewijzigd worden door de introductie van polaire enkele moleculen, zoals –CN, –NO₂ en –SO₂–, of polaire polymeren, waaronder polystyreen, poly(2-hydroxyethyl methacrylate) en poly(dopamine methacrylamide), die de rotatie van dipolen in het vrije volume van polymeren toelaten, wat leidt tot een verbetering van de dielectrische constante. Dipolaire polarisatie is recentelijk gebruikt om de dielectrische constante van tribo-elektrische materialen te verhogen door het hechten van polaire groepen met grote dipoolmomenten aan de zijketen van polymeren; Lee et al. demonstreerden dat de PVDF-graft copolymeer de tribo-elektrische uitvoerprestaties opmerkelijk verhoogde (Fig. 7). Poly(tert-butyl acrylaat) (PtBA) met verschillende greffageverhoudingen werd geïntroduceerd in de PVDF-keten, wat leidde tot verhoogd dipoolmoment door π-binding en polaire estergroepen in PtBA, wat de dielectrische constante verbeterde en vervolgens de tribo-elektrische uitvoerprestaties. Naast het greffagepolymer, verhogen polymeer dielectrica met genanostructureerde domeinen de dielectrische constante door dipolaire oriënterende polariseerbaarheid. Hoewel polymeer-gebaseerde dielectrische materialen enkele voordelen hebben, zoals oplossingsverwerkbaarheid en flexibiliteit, zijn er tot nu toe weinig studies gerapporteerd waarin zulke polarisatie in tribo-elektrische apparaten wordt gebruikt.

Conclusies en vooruitzichten

Zelfgevoede draagbare en implanteerbare elektronische apparaten zijn essentieel, met name sinds de ontwikkeling van Internet-of-Things (IoT) technologie. Aangezien het tribo-elektrische effect een van de meest frequente ervoerde verschijnselen in het dagelijks leven is, zijn tribo-elektrische apparats een veelbelovende energie-oogster voor zelfgevoede draagbare apparaten gecombineerd met andere typen toepassingen. In de ontwikkeling van de IoT-industrie vereisen elektronische apparaten miniaturisatie en multifunctionaliteit, wat hoge uitvoerprestaties nodig heeft. Hoewel tribo-elektrische apparaten met hoge uitvoerprestaties zijn ontwikkeld door het aanwenden van apparaatstructuren met gecombineerde werkwijzen, is het noodzakelijk om de uitvoerprestaties te verbeteren voor meerdere apparaten.

Tot nu toe is het onderzoek gericht op de ontwikkeling van tribo-elektrische paarmaterialen (meestal negatieve tribo-elektrische materialen), terwijl dielectrische tribo-materialen zelden zijn onderzocht. Omdat dielectrische materialen het potentieel hebben om tribo-elektrische prestaties te verbeteren volgens de relatie tussen de oppervlakteladingsdensiteit en dielectrische constante, stelt de uitvinding van tribo-elektrische materialen gebaseerd op diverse polarisatiemechanismen de ontwikkeling van hoge-vermogen draagbare apparaten in staat, wat als volgt kan worden bereikt:

1. Omdat een verscheidenheid aan hoge-k dielectrische materialen zijn gesynthetiseerd door het controleren van de structurele factor of chemische doping, zijn er diverse kandidaten om de dielectrische constante van polymeercomposieten te verhogen. Bovendien zijn de oppervlaktemodificatie van dielectrische nanomaterialen voor homogene dispersie in de polymermatrix en de controle van de dielectrische structuur (bijv. heterogestructureerde meervoudige composieten of dielectrische composieten met uitgelijnde geleidende materialen) onderzocht om dielectrische eigenschappen te verbeteren. Echter, weinig benaderingen zijn gebruikt in tribo-elektrische apparaten om de uitvoerprestaties te verbeteren. De hoge compatibiliteit of uitlijning van additieven in de polymermatrix zal een toename van het interfacegebied of reductie van lekkagestroom mogelijk maken, wat leidt tot de verbetering van de dielectrische constante en de resulterende uitvoerprestaties.

2. Naast dielectrische polymeer nanocomposieten, kan het wijzigen van polymere ketenstructuren de dielectrische eigenschappen verbeteren vanwege de dipolaire polarisatie door de verbeterde dipoolmomenten. Tot nu toe zijn polymere materialen met hoge dielectrische constanten gesynthetiseerd door het greffage van polariseerbare componenten of door het ontwerpen van nanostrukturen, wat de dielectrische constante verhoogt door dipolaire polarisatie. Polymeer-gebaseerde dielectrische materialen zijn goede kandidaten voor gebruik als tribo-elektrische materialen vanwege hun fysieke eigenschappen, zoals flexibiliteit en oplossingsverwerkbaarheid, wat de ontwikkeling van printbare tribo-elektrische apparaten voor next-generation draagbare toepassingen vergemakkelijkt.

3. Naast dielectrische polarisatie, kan een elektrisch polingsproces dat dipoolheroriëntatie onder een sterk elektrisch veld kan induceren, een andere benadering zijn om de dielectrische constante te verbeteren, wat vervolgens de verbetering van tribo-elektrische prestaties mogelijk maakt. Recentelijk zijn zelf-poling methoden toegepast om ferro-elektrische eigenschappen aanzienlijk te verbeteren via het scheur-geïnduceerde proces in piezo-elektrische generatoren, hoewel de uitvoerprestaties lager blijven dan die van de tribo-elektrische generatoren. Het mechanisme, gecombineerd met dielectrische polarisatie en zelf-poling in dielectrische composieten, kan een synergistisch effect zijn om de dielectrische constante significant te verbeteren, wat leidt tot een opmerkelijke verbetering van tribo-elektrische prestaties.

4. De meeste studies hebben zich gericht op negatieve tribo-elektrische materialen. Omdat tribo-elektrische prestaties ontstaan uit de contactelektrificatie tussen de positieve en negatieve tribo-elektrische lagen, zijn de positieve tribo-elektrische materialen een belangrijke factor naar verbetering van uitvoerprestaties. Polarizatie-geïnduceerde tribo-elektrische paarmaterialen kunnen de ontwikkeling van tribo-elektrische apparaten met significant verbeterde uitvoerprestaties bevorderen, wat praktische toepassingen vergemakkelijkt die hoge uitvoervermogen vereisen, zoals slimme draagbare apparaten en draagbare IoT-apparaten.