東華大学: 伸縮性、透明性、耐久性に優れた摩擦電気ナノ発電機

出典: 材料と試験

摩擦電気ナノジェネレータ (TENG) は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する効率的で持続可能な電源として開発されました。さまざまな形態の機械的エネルギー、特に人間の動きからのエネルギーを収集できる柔軟な TENG ベースのウェアラブルデバイスの開発に向けて、かなりの研究が行われてきました。特に、ウェアラブルデバイスは、人間の軟組織に適合し、デバイスの性能を低下させることなく人間の頻繁な動きに適合するため、潜在的な用途があり、透明性により情報の視覚的伝達が容易になります。そのため、柔らかく、伸縮性があり、透明な TENG は、ウェアラブルエレクトロニクスにおいて大きな可能性を秘めています。

最近、東華大学繊維材料改質国家重点実験室のYou Zhengwei氏らは、「広範囲の温度範囲でエネルギー収集と動作検知を行うための、イオンゲルベースの高伸縮性、透明、耐久性のある摩擦電気ナノ発電機」と題する論文をNano Energy誌に発表しました。彼らは、高い伸縮性（> 400%）、透明性、広い温度許容範囲（-20～100°C）を備えたイオンゲルベースの摩擦電気ナノジェネレータ（I-TENG）を提案しました。イオン液体[1-エチル-3-メチルイミダゾリウムジシアナミド（[EMI][DCA]）]を含むイオンゲルは、3-メチル（メタクリロイルオキシエチル）アンモニウムプロパンスルホン酸（DMAPS）とアクリル酸のUV光重合によって一段階で調製されました。光開始剤として過硫酸アンモニウムを使用しました。イオンゲルネットワークは、DMAPS 部分の側鎖両性イオン官能基間の双極子間相互作用と、イオン液体イオンとイオン化基間のイオン双極子相互作用で構成されています。調製されたイオンゲルは、高い伸縮性（約 800%）、透明性、イオン伝導性を示します。イオンゲルとポリジメチルシロキサン (PDMS) フィルムで構成された I-TENG は、負荷抵抗 10 MΩ でピーク出力 1.3 W m-2 を実現します。さらに、I-TENGは耐疲労性と耐久性に優れており、電気出力性能は少なくとも1か月間安定しています。 I-TENG は、さまざまな人間の動きから機械的エネルギーを収集し、自己駆動型の人間の動きセンサーとして機能します。さらに重要なことは、I-TENG は -20 ～ 100 °C の広い温度範囲にわたって、長期にわたって安定した電気出力とセンシング性能を実現できることです。

論文1図1 I-TENGの設計とイオンゲルの特性

(a) サンドイッチ構造の I-TENG、(b) イオンゲルと I-TENG の透明性、(c) I-TENG の透明性とさまざまな機械的変形、(d) 手首に適合して取り付けられた I-TENG、(e) イオンゲルと I-TENG の一軸引張試験。

論文2 図2 I-TENGの動作メカニズムと電気出力性能 (a) I-TENGの動作メカニズム、(b) 開回路電圧VOC、(c) 短絡電流と短絡電荷Q（インセット）、(d) 接触面積が異なるI-TENGの出力電圧、(e) 外部負荷抵抗によるI-TENGの出力電流密度と電力密度の変化、(f) 7000サイクルを超えるI-TENGの耐久性、(g) 100%ひずみの1000サイクル前後のI-TENG出力電圧の比較。初期状態と 100% ひずみ状態の TENG (インセット)。

論文_3 図 3 I-TENG を使用したエネルギー収集 (a) I-TENG が 40 個の緑色 LED を点灯しています。 (b) I-TENG で電力を供給された 4.7μF、10μF、22μF、47μF の市販コンデンサの充電曲線。 (c) I-TENG から収集したエネルギーを使用して電子時計に電力を供給する自己充電システムのイメージと等価回路。 (d) I-TENG で充電され、電子時計に電力を供給するために使用される 22μF コンデンサの電圧サイクル曲線。

論文4 図4 30℃または100℃で相対湿度（RH）30％の乾燥環境におけるI-TENGとH-TENGの安定性の比較（a）H-TENGとI-TENGの物理的写真、（b）TENG中の水またはイオン液体の含有量の経時変化、（c）さまざまな時点でのI-TENGと（d）H-TENGの開回路電圧、（e）イオンゲルとI-TENGの重量保持の経時変化、（f）100℃でのI-TENGの開回路電圧と短絡電流の経時変化。

Paper_5 図 5 ハイドロゲル、イオンゲル、デュアル電極 I-TENG の低温耐性の写真 (a) ハイドロゲルは -20°C で凍結すると脆くなりますが、イオンゲルは -20°C でも良好な伸縮性を維持します。 (b) デュアル電極 I-TENG の概略図。 (c) 室温 (RT) および (d) -20°C でのさまざまな曲げ角度でのデュアル電極モードの I-TENG の電圧。

ここでは、伸張状態でも -20 ～ 100 °C の広い温度範囲にわたって高い透明性、変形性、耐久性、安定した電気出力性能を示す、新しいイオンゲルベースの TENG を設計します。 I-TENG は、効果的な生体力学的エネルギー収集と自己駆動型生理学的モニタリングを実証し、ウェアラブル電子機器、電子皮膚 (E-skin)、ソフトロボット、人工知能における大きな可能性を示しました。今後、研究者らは、より効率的なイオンゲルと関連するシーリング材料を開発し、さまざまな用途向けに I-TENG のさまざまな特性を向上させる予定です。さらに、伸縮性があり、柔らかく透明なイオンゲルは、砂漠や雪原などの過酷な環境でも、さまざまな状況で使用される他の電子デバイス（伸縮性スーパーキャパシタ、ソフト誘導アクチュエータ、多機能センサーなど）に最適な電極および電解質材料になります。

論文の第一著者は東華大学博士課程の学生である孫立傑氏、論文の責任著者は游正偉教授、論文の共著者は関青宝准教授です。この研究は、中国国家自然科学基金、上海自然科学基金、東華大学インスピレーションプログラムなどの基金によって資金提供されました。

参考文献: イオンゲルベースの、伸縮性に優れた透明で耐久性のある摩擦電気ナノジェネレーター。幅広い温度範囲でエネルギー収集とモーションセンシングが可能 (Nano Energy、2019、DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.043)

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