Hoogwaardige tribo-elektrische apparaten via diëlektrische polarisatie:een overzicht

Inleiding

Piëzo-elektrische, pyro-elektrische en tribo-elektrische apparaten hebben veel aandacht getrokken als apparaten voor het oogsten van energie voor stroomopwekking uit omringende omgevingen, zoals water, wind, licht, temperatuur en trillingen [1]. Naast de stroombronnen kunnen deze apparaten worden gebruikt als zelfaangedreven sensoren voor uiteenlopende toepassingen zoals elektronische skins, bewakingsapparatuur voor de gezondheidszorg en robotica [2]. Onder hen vertonen tribo-elektrische apparaten relatief hogere outputprestaties wanneer een paar tribo-elektrische materialen in contact worden gebracht [3,4,5,6]. De geproduceerde tribo-elektrische signalen kunnen worden gebruikt voor het direct aansturen van elektrische apparaten [7,8,9,10,11] of het bewaken van de mechanische of chemische prikkels op de apparaten [4]. De tribo-elektrische apparaten kunnen eenvoudig worden ontworpen voor eenvoudige fabricage, lage kosten, uitstekende uitvoerprestaties en flexibiliteit in vergelijking met andere technologieën, die voordelig zijn voor zelfaangedreven draagbare toepassingen [12].

Tribo-elektriciteit treedt op als gevolg van contactelektrificatie en elektrostatische inductie tussen ongelijke tribo-elektrische materialen. Het mechanische contact induceert de gecompenseerde tegengestelde ladingen op elke tribo-elektrische laag als gevolg van de contactelektrificatie, en de mechanische scheiding resulteert in de stroom die door het externe circuit vloeit vanwege elektrostatische inductie. Daarom worden de tribo-elektrische outputprestaties direct beïnvloed door de oppervlakteladingen op tribo-elektrische lagen.

Voor hoge tribo-elektrische outputprestaties zijn efficiënte opwekking van oppervlaktelading tijdens contactelektrificatie en effectieve ladingsoverdracht tijdens elektrostatische inductie noodzakelijk. Daarom is het van cruciaal belang om geschikte tribo-elektrische contactpaarmaterialen te selecteren en optimale apparaatstructuren te ontwerpen. Op basis van hun werkingsmechanisme zijn er vier verschillende soorten tribo-elektrische apparaten gerapporteerd, bestaande uit diëlektrische materialen als tribo-elektrische lagen [5]. Er zijn twee categorieën tribo-elektrische apparaten op basis van de soorten tribo-elektrische contactpaarmaterialen:diëlektrische-naar-diëlektrische en geleider-naar-diëlektrische contactmodus-apparaten (Fig. 1a) [13]. In de eerste twee diëlektrische platen, met diktes d ₁ en d ₂ , evenals relatieve diëlektrische constanten ε _r,1 en ε _r,2 respectievelijk, worden van aangezicht tot aangezicht gestapeld als tribo-elektrische lagen, en de elektrodelagen worden afgezet op het buitenste diëlektrische oppervlak. De afstand (x ) tussen de twee tribo-elektrische lagen wordt gevarieerd onder een periodieke mechanische kracht.

Op diëlektrische basis tribo-elektrisch apparaat en diëlektrische polarisatie:a Theoretische modellen voor parallelle plaatcontactmodi en equivalent schakelschema voor diëlektrisch-naar-diëlektrisch en geleider-naar-diëlektrisch TENG (overgenomen van Ref. [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). b Echt (ε ') en denkbeeldig deel (ε ") van de diëlektrische constante als functie van de frequentie in een polymeer met grensvlak-, oriëntatie-, ionische en elektronische polarisatiemechanismen (Overgenomen met toestemming van Ref. [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Vervolgens hebben de contactoppervlakken van de tribo-elektrische laag tegengestelde oppervlakteladingen maar dezelfde dichtheid (σ ) door middel van contactelektrificatie. Wanneer de tribo-elektrische lagen van elkaar beginnen te scheiden vanwege de toenemende afstand, ontstaat er een potentiaalverschil (V ) wordt tussen de twee elektroden geïnduceerd door de hoeveelheden overgedragen positieve/negatieve ladingen (+Q /–Q ). Evenzo wordt in de geleider-naar-diëlektrische contactmodus zonder de diëlektrische laag 1 metaal 1 gebruikt als zowel de bovenste tribo-elektrische laag als de bovenste elektrode. In deze apparaatstructuur zijn er twee delen van 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. Gezien de hierboven genoemde tribo-elektrische apparaten met contactmodus, kan de uitgangsprestatie als volgt worden afgeleid op basis van elektrodynamica [13]:

De effectieve diëlektrische dikte d ₀ wordt gedefinieerd als de optelling van alle diktes van diëlektrische d _ik gedeeld door de relatieve permittiviteit ε _r,i . Gebaseerd op vgl. 2 wordt de tribo-elektrische prestatie direct beïnvloed door de oppervlakteladingsdichtheid (\(\sigma\)) van de diëlektrische lagen.

Eerder is gemeld dat de oppervlaktemodificatie van tribo-elektrische materialen of de introductie van sterk diëlektrische materialen de oppervlakteladingsdichtheid verhoogt. Oppervlaktemodificatie, zoals de controle van de oppervlaktemorfologie [14,15,16,17] of de introductie van geladen ionen [18,19,20,21], verhoogt de oppervlakteladingsdichtheid door het oppervlaktegebied of de tribo-elektrische polariteit tussen de tribo-elektrische paar lagen. Naast het afstemmen van de oppervlakte-eigenschap, kan een toename van de diëlektrische constante de capaciteit van de diëlektrische laag vergroten, wat resulteert in een toename van de oppervlakteladingsdichtheid [6, 22, 23]. In een parallel-plaatcondensatormodel kan de oppervlakteladingsdichtheid als volgt worden gerelateerd aan de capaciteit van de diëlektrische laag [23,24,25]:

waar C en S geven respectievelijk de capaciteit en het contactgebied aan. Van verg. 3, aangezien de capaciteit (C ), wat een factor is die in staat is om de oppervlakteladingsdichtheid in een tribo-elektrisch apparaat met diëlektrische contactmodus [6] te verbeteren, toeneemt met de diëlektrische constante en/of de vermindering van de dikte van de diëlektrische laag, is de oppervlakteladingsdichtheid recht evenredig met de verhouding van de diëlektrische constante tot de dikte (ε /d ). Evenzo kan in het tribo-elektrische apparaat de capaciteit van de tribo-diëlektrische laag worden uitgedrukt uit Vgl. 2 als:

Het gebruik van een poreuze diëlektrische laag in een tribo-elektrisch apparaat is bijvoorbeeld een efficiënte manier om de ε/d aanzienlijk te verbeteren. verhouding door gelijktijdig de diëlektrische constante te vergroten en de dikte te verminderen wanneer de diëlektrische laag onder externe druk wordt gedrukt, waardoor de oppervlakteladingsdichtheid [17, 23, 26, 27] aanzienlijk wordt verbeterd, zelfs wanneer dezelfde tribo-elektrische lagen worden gebruikt. Daarom is de diëlektrische constante van de tribo-elektrische laag een effectieve factor om de oppervlakteladingsdichtheid beter te verbeteren dan de oppervlaktepotentiaal bepaald door de selectie van tribo-elektrische paarmaterialen.

Hoewel de diëlektrische constante van een tribo-elektrisch materiaal een belangrijke factor is bij het verbeteren van tribo-elektrische prestaties, zijn er geen uitgebreide discussies geweest over de principes en strategieën om de diëlektrische constante te verhogen. Eerder waren er verschillende uitstekende recensies over tribo-elektrische apparaten, waaronder tribo-elektrische materialen en hun werkingsmechanismen, gerapporteerd [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; tot op heden zijn echter slechts enkele onderzoeken naar door diëlektrische geïnduceerde tribo-elektrische apparaten gerapporteerd. Hierin introduceren we de basisprincipes van diëlektrische polarisatie en demonstreren we dat de outputprestaties van tribo-elektrische apparaten aanzienlijk kunnen worden gecontroleerd en verbeterd door het ontwerp van diëlektrische materialen met gecontroleerde diëlektrische polarisatie.

Diëlektrische polarisatie voor verbeterde tribo-elektrische prestaties

De diëlektrische constante (of relatieve permittiviteit) wordt gedefinieerd als een factor waardoor het aangelegde elektrische veld wordt verminderd door de diëlektrische polarisatie van materialen, die kan worden verbeterd door diëlektrische materialen te engineeren door de introductie van diëlektrische additieven of de wijziging van chemische structuren, wat leidt tot aan verschillende diëlektrische verschijnselen. Diëlektrische polarisatie kan worden onderverdeeld in elektronische, vibrationele (of atomaire), oriëntatie (of dipolaire), ionische en grensvlakpolarisatie (Fig. 1b) [30,31,32,33]. Elektronische en atomaire polarisaties worden veroorzaakt door de vervorming van negatieve elektronen en positieve kernen in een atoom in een richting tegengesteld aan het externe elektrische veld, waardoor elektrische dipoolmomenten worden verkregen, die optreden in het resonantieregime boven de infraroodfrequenties (> 100 GHz). Aangezien op polarisatie gebaseerde materialen, zoals halfgeleiders, geen diëlektrisch verlies hebben onder 1 GHz, zijn ze het meest gewenst voor praktische toepassingen variërend van enkele Hz tot 1 GHz. De meeste organische polymeren vertonen echter lagere diëlektrische constanten (<-10) dan halfgeleidende 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 polymeerketenstructuren grotere atomen met polariseerbare elektronen omvatten, zoals Si, Ge of Sn, dan de basispolymeersamenstellingen [34,35,36]. Hoewel op Si gebaseerde polymeren, zoals polysiloxanen of hun derivaten, worden gesynthetiseerd, is de diëlektrische constante niet groter dan 3-4. Daarom is het moeilijk om de elektronische/atomaire polarisatie in isolerende polymeren te vergroten.

In polymeren, terwijl de elektronische en atomaire polarisaties beperkt zijn tot het verbeteren van de diëlektrische constante vanwege de intrinsieke moleculaire bindingsstructuur, kunnen de andere dipolaire, ionische en grensvlakpolarisaties worden gebruikt om de diëlektrische constante te verbeteren. Dipolaire (oriëntatie) polarisatie wordt veroorzaakt door de heroriëntatie van permanente moleculaire dipoolmomenten in de polymeren of nanocomposieten, inclusief nanodeeltjes of dipolaire delen, die wordt beïnvloed door de fasestructuren (amorf of kristallijn), temperatuur en frequentie (meestal  <-10 MHz) [ 32, 33]. De modificatie van dipoolstructuren maakt de bereiding van dipolaire glas-, ferro-elektrische en relaxor-ferro-elektrische polymeren mogelijk [30]. Zo leidt de dipooloriëntatie van polyvinylideenfluoride (PVDF)-derivaten tot de vorming van een β -fase, waardoor de diëlektrische constante wordt verhoogd, wat de tribo-elektrische prestatie verbetert [37, 38]. Ionische polarisatie kan worden veroorzaakt door relatieve verplaatsingen tussen positief en negatief geladen ionen onder een externe kracht [30, 39]. Daarom kunnen polymeren met ionische componenten worden gebruikt om de capacitieve prestaties door ionische polarisatie te verbeteren. De ionische componenten (bijv. NaCl en LiCl) in hydrogels worden bijvoorbeeld gepolariseerd onder een extern veld, wat leidt tot de vorming van elektrische dubbele lagen, wat resulteert in de verbetering van tribo-elektrische prestaties [40,41,42,43]. Grensvlakpolarisatie wordt veroorzaakt door de reorganisatie van ruimteladingen op grensvlakken in diëlektrische composieten [30, 31]. Daarom is grensvlakpolarisatie waarneembaar in alle diëlektrische systemen met meerdere componenten, inclusief semi-kristallijne polymeren, polymeermengsels of nanocomposieten met een hoge k - of geleidende nanofillers. Onlangs hebben polymere nanocomposieten met een hoge k nanodeeltjes, die de netto diëlektrische constante verbeteren, wat leidt tot een verbetering van de oppervlakteladingsdichtheid, en dus de tribo-elektrische prestatie, zijn gebruikt in tribo-elektrische apparaten [23, 44, 45]. In de volgende paragrafen introduceren we enkele voorbeelden om de verbetering van de tribo-elektrische outputprestaties te demonstreren door een verhoging van de diëlektrische constante.

Interfaciale polarisatie in nanodeeltjes/polymeercomposieten met hoge permittiviteit

Nanodeeltjes met hoge permittiviteit worden gebruikt om de diëlektrische constanten van polymere nanocomposieten te verbeteren vanwege de polarisatie op het grensvlak tussen het polymeer en de nanodeeltjes. Omdat anorganisch (bijv. bariumtitanaat (BaTiO₃ ) nanodeeltjes en nanodraden) of geleidende (bijv. metalen nanodeeltjes, koolstofnanobuizen en grafeen) nanomaterialen worden veel gebruikt in polymeermatrices om de netto diëlektrische constante te verhogen, polymeercomposieten met verschillende additieven hebben hogere diëlektrische constanten dan basispolymeren, wat leidt tot verbeterde tribo-elektrische optredens. 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) [23]. Omdat SrTiO₃ vertoont een hogere permittiviteit dan de andere, PDMS met SrTiO₃ vertoont een hogere diëlektrische constante. Dit kan ook worden veroorzaakt door de polarisatie van de ruimtelading op het grensvlak tussen het PDMS en SrTiO₃ deeltjes. Met name de prestaties van het tribo-elektrische uitgangsvermogen worden verbeterd door de toename van de capaciteit door de verhoogde ε _r /d _PDMS tijdens het contactproces. Naast diëlektrische nanodeeltjes zijn er verschillende soorten materialen met een hoge toelaatbaarheid, zoals met Al-gedoteerde BaTiO₃ en CaCu₃ Ti₄ O₁₂ , worden aangebracht in de tribo-elektrische lagen, wat leidt tot een verbeterde diëlektrische constante en de resulterende tribo-elektrische prestaties (Fig. 2b) [44, 45]. Aan de andere kant maakt de toevoeging van geleidende materialen de vorming van microcondensatorstructuren in de polymeermatrix mogelijk, die accumulatie van ruimtelading op het grensvlak tussen de polymeermatrix en additieven kunnen induceren. Dit type grensvlakpolarisatie wordt veroorzaakt door het grotere verschil in geleidbaarheid tussen het polymeer en geleidende additieven.

Tribo-elektrische prestaties verbeterd door grensvlakpolarisatie in nanodeeltjes/polymeercomposieten met hoge permittiviteit:a Diëlektrische nanodeeltjes / spons PDMS-composietgebaseerde tribo-elektrische nanogenerator (overgenomen met toestemming van Ref. [23]. Copyright 2016 American Chemical Society). b Contact-scheidingsmodus tribo-elektrische nanogenerator met P(VDF-TrFE) en PDMS-hoge diëlektrische deeltjes composietfilms als de wrijvingslagen (overgenomen van Ref. [45]. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

Daarom vertonen polymeercomposieten met op metaal of koolstof gebaseerde materialen verhoogde diëlektrische constanten in vergelijking met zuivere polymeren, wat leidt tot een verbetering van de oppervlakteladingsdichtheid en de resulterende tribo-elektrische prestaties (Fig. 3) [6, 46]. Hoewel polymeercomposieten met hoge permittiviteit veel 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 polymeermatrix omdat overmatige additieven lekstroom veroorzaken [46, 48] of verminderd oppervlaktewrijvingsgebied [23, 49], wat resulteert in een afname van de uitvoerprestaties. (2) De additieven moeten homogeen in de polymeermatrix worden gedispergeerd om de grensvlakpolarisatie te verbeteren, omdat de geaggregeerde nanodeeltjes de grensvlakpolarisatie onderbreken door de reductie van het grensvlak tussen het polymeer en de nanodeeltjes.

Tribo-elektrische prestaties verbeterd door grensvlakpolarisatie in polymeercomposieten met op metaal of koolstof gebaseerde materialen:a GPs@PDMS op composiet gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator (overgenomen van Ref. [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). b Tribo-elektrische nanogenerator op basis van vloeibaar metaal met ingeklemde diëlektrische stapels (overgenomen van ref. [48]. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

Interfaciale polarisatie in meerlaagse polymeerfilms

Voor nanodeeltjes/polymeercomposieten met willekeurige fase is grensvlakpolarisatie moeilijk te controleren omdat een nauwkeurige regeling van de hoeveelheid en dispersie van nanodeeltjes vereist is [30]. In meerlaagse diëlektrica kan grensvlakpolarisatie gemakkelijk worden gecontroleerd omdat alle grensvlakken loodrecht op het elektrische veld staan, wat resulteert in een uniforme accumulatie van ruimtelading bij de meerlaagse grensvlakken en een verbeterde diëlektrische constante. Meerlagige polymere diëlektrica zijn uitgebreid onderzocht om hun diëlektrische constante te verbeteren via grensvlakpolarisatie tussen ongelijke polymeerlagen [50]. Grensvlakpolarisatie treedt op wanneer de ruimteladingen (elektronen en ionen) zich ophopen op het grensvlak tussen twee ongelijksoortige materialen met grote contrasten in permittiviteit en elektrische geleidbaarheid onder een extern veld [30]. Kim et al. [51] en Feng et al. [52] demonstreerde het effect van dubbellaagse films met een groter verschil in de relatieve permittiviteit op de tribo-elektrische outputprestaties (Fig. 4a,b). De toevoeging van lagere diëlektrische lagen tussen de geleidende laag en de elektrode veroorzaakt ladingopsluiting of -opslag in de diëlektrische film, wat leidt tot een verhoogde ladingsdichtheid. De ladingsaccumulatie zou kunnen worden veroorzaakt door de verhoogde polarisatie op het grensvlak van dubbellaagse films door het grote verschil in de permittiviteit of geleidbaarheid tussen PVDF en isolerende films. Aan de andere kant demonstreerde onze groep het effect van een dubbellaagse film bestaande uit polymeren met verschillende fluoreenheden en polyethyleentereftalaat (PET) isolerende lagen op de uitvoerprestaties (Fig. 4c) [53]. Met name gefluoreerde polymeren met drie fluoreenheden in de zijketen (poly(2,2,2-trifluorethylmethacrylaat), PTF) worden gecoat op PET-substraten met een lagere diëlektrische constante, waardoor de diëlektrische constante wordt verhoogd, die wordt veroorzaakt door de verbeterde grensvlakpolarisatie op het grensvlak tussen de semi-kristallijne PTF en PET. Bijgevolg vertoonde de PTF-PET een hogere tribo-elektrische prestatie dan de andere gefluoreerde polymeerfilms. Op basis van de bovengenoemde resultaten kunnen heterogene diëlektrische meerlagige films een robuust ontwerp zijn om de tribo-elektrische prestaties van flexibele of draagbare apparaten te verbeteren.

Tribo-elektrische prestaties verbeterd door grensvlakpolarisatie in meerlagige polymeerfilms:a Tribo-elektrische nanogenerator bestaande uit PVDF/PDMS dubbellaags en Nylon 6/PDMS dubbellaags met verschillende PDMS tussenlaagdiktes (Aangepast van Ref. [51]. Copyright 2018 Elsevier). b Tribo-elektrische nanogenerator zonder en met PI als overgangslaag voor ladingsopslag (Aangepast van Ref. [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Dubbellaagse tribo-elektrische nanogenerator op basis van gefluoreerde polymeren met verschillende soorten fluoreenheden (Overgenomen van Ref. [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Ionische polarisatie in ionische polymeergels

In de polymeermatrix, inclusief de ionische componenten behalve onzuiverheidionen, bevordert ionische polarisatie de vorming van een elektrische dubbellaag (EDL) op het grensvlak tussen de polymeerelektrolyt en de elektrode, wat leidt tot een verbetering van de diëlektrische constante [30, 39, 54]. Polarisatie wordt vaak gebruikt in apparaten voor energieopslag, zoals condensatoren (bijvoorbeeld supercondensatoren of EDL-condensatoren) en batterijen [55]. Volgens de Helmholtz-vergelijking kan de capaciteit worden uitgedrukt als C ≈ kε ₀ /λ , waar k , ε ₀ , en λ zijn de effectieve diëlektrische constante van de EDL, vacuüm permittiviteit en Debye screening lengte (of de dikte van de dubbele laag), respectievelijk. In een tribo-elektrisch apparaat worden vaak ionische componenten, zoals symmetrische of asymmetrische ionenparen en ionische vloeistoffen, in polymere materialen gebruikt. Omdat poly(vinylalcohol) (PVA) een soort negatief tribo-elektrisch materiaal is vanwege de hydroxylgroepen in de polymeerruggengraat, kan het interageren met verschillende soorten ionenparen. Wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, kan ionische polarisatie optreden als gevolg van de relatieve verplaatsingen tussen de positieve en negatieve ionen, waardoor wordt bijgedragen aan de vorming van EDL op het grensvlak tussen de tribo-elektrische lagen. Ryu et al. [43] bereidde op PVA gebaseerde vaste polymeerelektrolyten (SPE's) met symmetrische of asymmetrische ionen als respectievelijk positieve of negatieve tribo-elektrische lagen (figuur 5a). Na het contactproces met ongerept PVA werden verschillende oppervlaktepotentialen systematisch gemeten door het effect van verschillende soorten ionische doping. De SPE's worden bijvoorbeeld negatieve of positieve tribo-elektrische materialen na de toevoeging van fosforzuur (H₃ PO₄ ) met meer kationen dan anionen of calciumchloride (CaCl₂ ) met respectievelijk meer anionen dan kationen, omdat de kationen of anionen extra met elektronen geladen of onbezette toestanden creëren. In de praktijk wordt aangetoond dat een ionische geleider bestaande uit PVA met boraxoplossing of poly(acylamide) met lithiumchloride wordt toegepast bij biomechanische energiewinning en tactiele detectietoepassingen, wat de tribo-elektrische prestaties verbetert door de EDL-formatie (Fig. 5b) [41, 42, 56]. Ook Zou et al. [40] fabriceerde een bionische rekbare nanogenerator bestaande uit een elastomeer Ecoflex en natriumchloride (NaCl)-oplossing geïnspireerd op de structuur van de ionkanalen op het cytomembraan van de elektrolyt in een elektrische paling. Door de effecten van tribo-elektrificatie door stromende vloeistof en elektrostatische inductie door gepolariseerde ionen te combineren, haalt het apparaat mechanische energie uit menselijke onderwaterbewegingen met een nullastspanning van meer dan 10 V. Verder hebben Lee et al. [56] onderzocht de tribo-elektrische prestaties wanneer een nanogenerator werd aangesloten op een iongeleenheid bestaande uit een ionische vloeistof en poly(vinylideenfluoride-co-hexafluorpropyleen), waardoor een breed en traag spanningsprofiel ontstond vanwege de grote relaxatietijd van de gepolariseerde ionen (Fig. 5c). Op ionische gel gebaseerde tribo-elektrische apparaten maken de fabricage mogelijk van ultrarekbare, transparante en waterdichte draagbare apparaten, hoewel de apparaten moeten worden ingekapseld door de elastomere matrix om ionenlekkage te voorkomen.

Tribo-elektrische prestaties verbeterd door ionische polarisatie in een ionische polymeergel:a SPE-tribo-elektrische nanogenerator op basis van PVA met verschillende soorten ionen (Overgenomen met toestemming van Ref. [43]. Copyright 2017 Wiley-VCH). b Zachte huidachtige tribo-elektrische nanogenerator die zowel biomechanische energiewinning als tactiele detectie mogelijk maakt door elastomeer en ionische hydrogel (PAAm-LiCl) te hybridiseren als respectievelijk de elektrificatielaag en elektrode (gereproduceerd onder de voorwaarden van de CC-BY-NC 4.0-licentie. Ref [41]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science). c Tribo-elektrisch-ion-gel-systeem, dat bestaat uit de tribo-elektrische nanogenerator en de ion-gel-eenheden (Overgenomen van Ref. [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Dipolaire polarisatie in ferro-elektrische PVDF-derivaten

Dipolaire (oriëntatie) polarisatie is een andere strategie om de diëlektrische constante te verbeteren met een laag diëlektrisch verlies, dat wordt veroorzaakt door het verhoogde dipoolmoment door de uitgelijnde dipolen in de fasestructuren van de polymeerketens. Typische voorbeelden zijn PVDF en zijn derivaten. De polymeren hebben permanente dipoolmomenten sinds de unidirectionele β -fase wordt gevormd, wat leidt tot een toename van de diëlektrische constante en de resulterende tribo-elektrische prestatie. Cheon et al. [37] demonstreerde hoogwaardige tribo-elektrische nanogeneratoren op basis van PVDF-zilver nanodraad (AgNW) composiet nanovezels (figuur 6a). De introductie van AgNW's in PVDF verhoogt de verhouding van de β -fase naar de α -fase door de interactie tussen AgNW's en PVDF moleculaire ketens, wat resulteert in een verbeterde diëlektrische constante, die ladingsvangst op de PVDF-AgNW diëlektrische laag mogelijk maakt. Naast de metaalbronnen, Seung et al. [38] introduceerde halfgeleidende nanodeeltjes (BaTiO₃ ) in een ferro-elektrische copolymeermatrix (poly (vinylideenfluoride-trifluorethyleen), PVDF-TrFE) (figuur 6b). De tribo-elektrische prestaties zijn aanzienlijk verbeterd na het polingproces, dat meer dan 150 keer groter is dan die van typische op polytetrafluorethyleen gebaseerde tribo-elektrische nanogeneratoren. In tegenstelling tot de heterogene polymeercomposieten, heeft onze groep onlangs het effect aangetoond van ferro-elektrische meerlagige nanocomposieten op tribo-elektrische prestaties (figuur 6c) [57]. De meerlagige diëlektrische films bestaande uit afwisselend PVDF-TrFE en BaTiO₃ lagen vertonen een hogere diëlektrische constante (17.1) dan de pure PVDF-TrFE-film (13.9) en enkele PVDF-TrFE/BaTiO₃ nanocomposiet (15.9) vanwege de grensvlakpolarisatie tussen de copolymeer- en nanodeeltjeslagen, zoals uitgelegd in het gedeelte over de meerlagige diëlektrische film (Fig. 4). Opeenvolgend neemt de tribo-elektrische uitvoerprestatie toe in vergelijking met de enkellaagse films. Hoewel nanocomposieten van ferro-elektrisch polymeer de tribo-elektrische outputprestaties verbeteren vanwege de verhoogde diëlektrische constante door de hoge ferro-elektrische polarisatie, is er een beperking in het verhogen van de outputprestaties vanwege de percolatiedrempel van de additieven.

Tribo-elektrische prestaties verbeterd door dipolaire polarisatie in ferro-elektrische PVDF-composieten:a Tribo-elektrische nanogenerator op basis van de PVDF-AgNW-composiet en nylon nanovezels bereid door middel van elektrospinning-methoden (gereproduceerd met toestemming van Ref. [37]. Copyright 2018 Wiley-VCH). b Op ferro-elektrische composiet gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator (gereproduceerd met toestemming van Ref. [38]. Copyright 2017 Wiley-VCH). c Meerlaagse, op PVDF-TrFE/BTO gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator (gereproduceerd met toestemming van Ref. [57]. Copyright 2020 American Chemical Society)

Aan de andere kant kan het dipoolmoment worden gewijzigd door polaire enkelvoudige moleculen [58] te introduceren, zoals -CN, -NO₂ , en –SO₂ –, of polaire polymeren [59,60,61], waaronder polystyreen, poly(2-hydroxyethylmethacrylaat) en poly(dopaminemethacrylamide), die de rotatie van dipolen in het vrije volume van polymeren mogelijk maken, wat leidt tot een verbetering van de diëlektrische constante. Dipolaire polarisatie is recentelijk gebruikt om de diëlektrische constante van tribo-elektrische materialen te verhogen door polaire groepen met grote dipoolmomenten aan de zijketen van polymeren te bevestigen [22]; Lee et al. toonde aan dat het PVDF-entcopolymeer de tribo-elektrische outputprestaties opmerkelijk verhoogde (Fig. 7). Poly(tert-butylacrylaat) (PtBA) met verschillende entingsverhoudingen werd in de PVDF-keten geïntroduceerd, wat leidde tot een verbeterd dipoolmoment door π-binding en polaire estergroepen in PtBA, wat de diëlektrische constante en vervolgens de tribo-elektrische uitvoerprestaties verbeterde. Naast het entpolymeer verhogen polymeerdiëlektrica met nanogestructureerde domeinen de diëlektrische constante door dipolaire oriëntatiepolariseerbaarheid [62]. Although polymer-based dielectric materials have some advantages, such as solution processability and flexibility, few studies wherein such a polarization in triboelectric devices is employed have been reported so far.

Triboelectric performances enhanced by dipolar polarization in PVDF-graft copolymer:PVDF-grafting polymer-based triboelectric nanogenerator. een Dipole moments of bare PVDF and PVDF-g -PtBA and b their dielectric properties and triboelectric performances (Reproduced under the terms of the CC-BY-NC 4.0 license. Ref. [22]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science)

Conclusions and Outlooks

Self-powered wearable and implantable electronic devices are essential, especially since the development of Internet-of-Things (IoT) technology. Since the triboelectric effect is one of the most frequently experienced phenomena in everyday life, triboelectric devices are a promising energy harvester for self-powered wearable devices combined with other types of applications. In the development of the IoT industry, electronic devices require miniaturization and multifunctionality, which need high output performances. Although triboelectric devices with high output performances have been developed by employing device structures with combined working modes [63,64,65], it is necessary to enhance the output performance for multiple devices.

Until now, research has been focused on the development of triboelectric pair materials (usually negative triboelectric materials), whereas dielectric tribo-materials have rarely been investigated. As dielectric materials have the potential to enhance triboelectric performances according to the relationship between the surface charge density and dielectric constant, the invention of triboelectric materials based on various polarization mechanisms enables the development of high-powered wearable devices, which can be achieved as follows:

1. 1.

   Because a variety of high-k dielectric materials have been synthesized by controlling the structural factor [66] or chemical doping [67, 68], there are several candidates to increase the dielectric constant of polymer composites. Moreover, the surface modification of dielectric nanomaterials for homogeneous dispersion in the polymer matrix [69, 70] and the control of the dielectric structure (e.g., heterostructured multilayer composites [30, 31, 71, 72] or dielectric composites with aligned conductive materials [73, 74]) have been investigated to increase dielectric properties. However, few approaches have been utilized in triboelectric devices to enhance the output performance. The high compatibility or alignment of additives in the polymer matrix will enable an increase in the interfacial area or reduce the leakage current, which leads to the enhancement of the dielectric constant and the resultant output performance.

2. 2.

   In addition to dielectric polymer nanocomposites, modifying polymer chain structures can enhance the dielectric properties because of the dipolar polarization through the improved dipole moments. Until now, polymeric materials with high dielectric constants have been synthesized by grafting polarizable components [58, 60] or by engineering nanostructures [61, 62, 75, 76], which increases the dielectric constant by dipolar polarization. Polymer-based dielectric materials are good candidates for use as triboelectric materials because of their physical properties, such as flexibility and solution-processability, which facilitate the development of printable triboelectric devices for next-generation wearable applications.

3. 3.

   In addition to dielectric polarization, an electric poling process that can induce dipole realignment under a strong electric field can be another approach to improve the dielectric constant, which subsequently enables the enhancement of triboelectric performances [77,78,79,80]. Recently, self-poling methods have been applied to considerably improve ferroelectric properties via the shear-induced process [81] in piezoelectric generators, although the output performance remains lower than that of the triboelectric generators. The mechanism, combined with dielectric polarization and self-poling in dielectric composites, can be a synergistic effect to significantly improve the dielectric constant, leading to a remarkable enhancement of triboelectric performances.

4. 4.

   Most studies have focused on negative triboelectric materials. Because triboelectric performance arises from the contact electrification between the positive and negative triboelectric layers, the positive triboelectric materials are an important factor toward enhancing output performances. Polarization-induced triboelectric pair materials can promote the development of triboelectric devices with significantly enhanced output performances, which facilitates practical applications requiring high-output power, such as smart wearable devices and portable IoT devices.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

EDL:

Electric double layer

PDMS:

Polydimethylsiloxaan

HUISDIER:

Polyethyleentereftalaat

PtBA:

Poly(tert-butyl acrylate)

PTF:

Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)

PVA:

Poly(vinyl alcohol)

PVDF:

Polyvinylideenfluoride

SPE:

Vast polymeer elektrolyt