Triboelektrische Hochleistungsbauelemente durch dielektrische Polarisation:Ein Rückblick

Einführung

Piezoelektrische, pyroelektrische und triboelektrische Geräte haben große Aufmerksamkeit als Energy-Harvesting-Geräte zur Stromerzeugung aus Umgebungen wie Wasser, Wind, Licht, Temperatur und Vibration auf sich gezogen [1]. Zusätzlich zu den Stromquellen können diese Geräte als energieautarke Sensoren für verschiedene Anwendungen wie elektronische Skins, Gesundheitsüberwachungsgeräte und Robotik verwendet werden [2]. Unter ihnen zeigen triboelektrische Geräte relativ höhere Ausgangsleistungen, wenn einige triboelektrische Materialien kontaktiert werden [3,4,5,6]. Die erzeugten triboelektrischen Signale können zum direkten Betrieb elektrischer Geräte [7,8,9,10,11] oder zur Überwachung der mechanischen oder chemischen Reize an den Geräten verwendet werden [4]. Die triboelektrischen Geräte können im Vergleich zu anderen Technologien einfach für die einfache Herstellung, niedrige Kosten, hervorragende Ausgangsleistung und Flexibilität entworfen werden, was für tragbare Anwendungen mit eigener Stromversorgung von Vorteil ist [12].

Triboelektrizität tritt aufgrund von Kontaktelektrisierung und elektrostatischer Induktion zwischen unähnlichen triboelektrischen Materialien auf. Der mechanische Kontakt induziert aufgrund der Kontaktelektrisierung die kompensierten Gegenladungen auf jeder triboelektrischen Schicht, und die mechanische Trennung führt zum Stromfluss durch den äußeren Stromkreis aufgrund elektrostatischer Induktion. Daher wird die triboelektrische Ausgangsleistung direkt durch die Oberflächenladungen auf triboelektrischen Schichten beeinflusst.

Für hohe triboelektrische Ausgangsleistungen sind eine effiziente Oberflächenladungserzeugung während der Kontaktelektrisierung und eine effektive Ladungsübertragung während der elektrostatischen Induktion erforderlich. Daher ist es entscheidend, geeignete triboelektrische Kontaktpaarmaterialien auszuwählen und optimale Bauelementstrukturen zu entwerfen. Basierend auf ihrem Wirkmechanismus wurden vier verschiedene Typen von triboelektrischen Bauelementen beschrieben, die aus dielektrischen Materialien als triboelektrische Schichten bestehen [5]. Es gibt zwei Kategorien von triboelektrischen Bauelementen, die auf den Arten von triboelektrischen Kontaktpaarmaterialien basieren:Bauelemente im Dielektrikum-zu-Dielektrikum- und Leiter-zu-Dielektrikum-Kontaktmodus (Abb. 1a) [13]. Im ersteren zwei dielektrische Platten mit einer Dicke von d ₁ und d ₂ , sowie relative Dielektrizitätskonstanten ε _r,1 und ε _r,2 sind als triboelektrische Schichten gegenüberliegend gestapelt, und die Elektrodenschichten werden auf der äußeren dielektrischen Oberfläche abgeschieden. Die Entfernung (x ) zwischen den beiden triboelektrischen Schichten wird unter einer periodischen mechanischen Kraft verändert.

Dielektrikumbasierte triboelektrische Vorrichtung und dielektrische Polarisation:a Theoretische Modelle für Parallelplatten-Kontaktmoden und Ersatzschaltbild für Dielektrikum-zu-Dielektrikum und Leiter-zu-Dielektrikum TENG (Reproduziert aus Lit. [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). b Echt (ε ') und Imaginärteil (ε ") der Dielektrizitätskonstante als Funktion der Frequenz in einem Polymer mit Grenzflächen-, Orientierungs-, ionischen und elektronischen Polarisationsmechanismen (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Anschließend haben die kontaktierten triboelektrischen Schichtoberflächen entgegengesetzte Oberflächenladungen, aber die gleiche Dichte (σ ) durch Kontaktelektrisierung. Wenn sich die triboelektrischen Schichten aufgrund des zunehmenden Abstands voneinander zu trennen beginnen, wird eine Potenzialdifferenz (V ) wird zwischen den beiden Elektroden durch die übertragenen positiven/negativen Ladungen (+Q /–Q ). In ähnlicher Weise wird im Leiter-zu-Dielektrikum-Kontaktmodus ohne die Schicht des Dielektrikums 1 Metall 1 sowohl als die obere triboelektrische Schicht als auch als die obere Elektrode verwendet. In dieser Gerätestruktur gibt es zwei Ladungsteile in Metall 1:die triboelektrischen Ladungen (\(S \times \sigma\)) und die übertragenen Ladungen zwischen den beiden Elektroden (–Q ), was zu (\(S\sigma - Q\)) der Gesamtladungen in Metall 1 führt. Unter Berücksichtigung der oben erwähnten triboelektrischen Bauelemente im Kontaktmodus kann die Ausgangsleistung basierend auf der Elektrodynamik wie folgt abgeleitet werden [13]:

Die effektive dielektrische Dicke d ₀ ist definiert als die Summe aller Dicken des Dielektrikums d _ich geteilt durch seine relative Permittivität ε _r,i . Basierend auf Gl. 2 wird die triboelektrische Leistung direkt von der Oberflächenladungsdichte (\(\sigma\)) der dielektrischen Schichten beeinflusst.

Zuvor wurde berichtet, dass die Oberflächenmodifizierung triboelektrischer Materialien oder die Einführung hochdielektrischer Materialien die Oberflächenladungsdichte erhöht. Oberflächenmodifikationen, wie die Kontrolle der Oberflächenmorphologie [14,15,16,17] oder die Einführung geladener Ionen [18,19,20,21], erhöhen die Oberflächenladungsdichte durch Vergrößerung der Oberfläche oder der triboelektrischen Polarität zwischen den triboelektrischen paar Schichten. Zusätzlich zur Abstimmung der Oberflächeneigenschaft kann eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante die Kapazität der dielektrischen Schicht erhöhen, was zu einer Erhöhung der Oberflächenladungsdichte führt [6, 22, 23]. In einem Plattenkondensatormodell kann die Oberflächenladungsdichte wie folgt mit der Kapazität der dielektrischen Schicht in Beziehung gesetzt werden [23,24,25]:

wobei C und S geben die Kapazität bzw. die Kontaktfläche an. Aus Gl. 3, da die Kapazität (C ), der ein Faktor ist, der die Oberflächenladungsdichte in einer triboelektrischen Vorrichtung vom dielektrischen Kontaktmodus verbessern kann [6], mit der Dielektrizitätskonstante und/oder der Verringerung der Dicke der dielektrischen Schicht zunimmt, die Oberflächenladungsdichte ist direkt proportional zu das Verhältnis der Dielektrizitätskonstante zur Dicke (ε /d ). In ähnlicher Weise kann bei der triboelektrischen Vorrichtung die Kapazität der tribodielektrischen Schicht aus Gl. 2 als:

Beispielsweise ist die Verwendung einer porösen dielektrischen Schicht in einem triboelektrischen Gerät ein effizienter Weg, um das ε/d . stark zu verbessern Verhältnis durch gleichzeitiges Erhöhen der Dielektrizitätskonstante und Verringern der Dicke, wenn die dielektrische Schicht unter äußerem Druck gepresst wird, wodurch die Oberflächenladungsdichte signifikant erhöht wird [17, 23, 26, 27], selbst wenn die gleichen triboelektrischen Schichten verwendet werden. Daher ist die Dielektrizitätskonstante der triboelektrischen Schicht ein wirksamer Faktor, um die Oberflächenladungsdichte besser zu verbessern als das Oberflächenpotential, das durch die Auswahl von triboelektrischen Paarmaterialien bestimmt wird.

Obwohl die Dielektrizitätskonstante eines triboelektrischen Materials ein wichtiger Faktor bei der Verbesserung der triboelektrischen Leistung ist, gab es keine umfassenden Diskussionen über die Prinzipien und Strategien zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante. Zuvor waren mehrere ausgezeichnete Übersichtsartikel über triboelektrische Bauelemente, einschließlich triboelektrischer Materialien und ihrer Wirkmechanismen, veröffentlicht worden [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; bisher wurden jedoch nur wenige Studien über dielektrisch induzierte triboelektrische Bauelemente berichtet. Hier stellen wir die Grundlagen der dielektrischen Polarisation vor und zeigen, dass die Ausgangsleistung triboelektrischer Bauelemente durch das Design dielektrischer Materialien mit kontrollierter dielektrischer Polarisation signifikant gesteuert und verbessert werden kann.

Dielektrische Polarisation für verbesserte triboelektrische Leistung

Die Dielektrizitätskonstante (oder relative Dielektrizitätskonstante) ist definiert als ein Faktor, bei dem das angelegte elektrische Feld durch die dielektrische Polarisation von Materialien verringert wird, was durch die Entwicklung dielektrischer Materialien durch die Einführung dielektrischer Zusätze oder die Modifikation chemischer Strukturen verbessert werden kann, was zu führenden auf verschiedene dielektrische Phänomene. Die dielektrische Polarisation kann in elektronische, Schwingungs- (oder atomare), Orientierungs- (oder dipolare), ionische und Grenzflächenpolarisation unterteilt werden (Abb. 1b) [30,31,32,33]. Elektronische und atomare Polarisationen werden durch die Verzerrung negativer Elektronen und positiver Kerne in einem Atom in entgegengesetzter Richtung zum äußeren elektrischen Feld induziert, wodurch elektrische Dipolmomente entstehen, die im Resonanzbereich oberhalb der Infrarotfrequenzen (> 100 GHz) auftreten. Da polarisationsbasierte Materialien wie Halbleiter keinen dielektrischen Verlust unter 1 GHz aufweisen, sind sie für praktische Anwendungen im Bereich von wenigen Hz bis 1 GHz am gefragtesten. Die meisten organischen Polymere weisen jedoch aufgrund der intrinsischen Natur ihrer molekularen Bindung, die keine elektronische und atomare Polarisation induzieren kann, niedrigere Dielektrizitätskonstanten (< 10) als halbleitende Materialien auf. Um weiter elektronische und atomare Polarisationen in den Polymeren zu induzieren, sollten die Polymerkettenstrukturen größere Atome mit polarisierbaren Elektronen wie Si, Ge oder Sn umfassen als die grundlegenden Polymerzusammensetzungen [34,35,36]. Obwohl Si-basierte Polymere wie Polysiloxane oder deren Derivate synthetisiert werden, beträgt die Dielektrizitätskonstante nicht mehr als 3–4. Daher ist es schwierig, die elektronische/atomare Polarisation in isolierenden Polymeren zu erhöhen.

Während in Polymeren die elektronischen und atomaren Polarisationen aufgrund der intrinsischen molekularen Bindungsstruktur auf die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante beschränkt sind, können die anderen dipolaren, ionischen und Grenzflächenpolarisationen verwendet werden, um die Dielektrizitätskonstante zu verbessern. Die dipolare (Orientierungs-) Polarisation wird durch die Neuorientierung permanenter molekularer Dipolmomente in den Polymeren oder Nanokompositen einschließlich Nanopartikeln oder dipolaren Einheiten verursacht, die durch die Phasenstrukturen (amorph oder kristallin), Temperatur und Frequenz (normalerweise  < 10 MHz) beeinflusst wird [ 32, 33]. Die Modifikation von Dipolstrukturen ermöglicht die Herstellung von dipolaren Glas-, ferroelektrischen und relaxor-ferroelektrischen Polymeren [30]. Beispielsweise führt die Dipolorientierung von Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Derivaten zur Bildung eines β -Phase, wodurch die Dielektrizitätskonstante erhöht wird, was die triboelektrische Leistung verbessert [37, 38]. Die ionische Polarisation kann durch relative Verschiebungen zwischen positiv und negativ geladenen Ionen unter äußerer Krafteinwirkung verursacht werden [30, 39]. Daher können Polymere mit ionischen Komponenten verwendet werden, um die kapazitive Leistung durch ionische Polarisation zu verbessern. Beispielsweise werden die ionischen Komponenten (z. B. NaCl und LiCl) in Hydrogelen unter einem externen Feld polarisiert, was zur Bildung elektrischer Doppelschichten führt, was zu einer Verbesserung der triboelektrischen Leistung führt [40,41,42,43]. Grenzflächenpolarisation wird durch die Reorganisation von Raumladungen an Grenzflächen in dielektrischen Verbundwerkstoffen induziert [30, 31]. Daher ist die Grenzflächenpolarisation in allen dielektrischen Mehrkomponentensystemen beobachtbar, einschließlich teilkristalliner Polymere, Polymermischungen oder Nanokomposite mit hohem k - oder leitfähige Nanofüllstoffe. Vor kurzem wurden Polymer-Nanokomposite mit hohem k Nanopartikel, die die Netto-Dielektrizitätskonstante verbessern, was zu einer Erhöhung der Oberflächenladungsdichte und damit der triboelektrischen Leistung führt, wurden in triboelektrischen Geräten verwendet [23, 44, 45]. In den folgenden Abschnitten stellen wir einige Beispiele vor, um die Verbesserung der triboelektrischen Ausgangsleistung durch eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante zu demonstrieren.

Grenzflächenpolarisation in Nanopartikel/Polymer-Verbundwerkstoffen mit hoher Permittivität

Nanopartikel mit hoher Permittivität werden verwendet, um die Dielektrizitätskonstanten von Polymer-Nanokompositen aufgrund der Polarisation an der Grenzfläche zwischen dem Polymer und den Nanopartikeln zu verbessern. Da anorganisch (z. B. Bariumtitanat (BaTiO₃ .) ) Nanopartikel und Nanodrähte) oder leitfähige (z. B. Metallnanopartikel, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) Nanomaterialien werden häufig in Polymermatrizen verwendet, um die Netto-Dielektrizitätskonstante zu erhöhen, Polymerkomposite mit verschiedenen Additiven haben höhere Dielektrizitätskonstanten als Basispolymere, was zu verbesserten triboelektrische Leistungen. Chenet al. stellten einen schwammartigen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Film her, einschließlich High-k Nanopartikel (SiO₂ , TiO₂ , BaTiO₃ , und SrTiO₃ ), um die triboelektrische Leistung zu verbessern (Abb. 2a) [23]. Weil SrTiO₃ weist eine höhere Permittivität auf als die anderen, PDMS mit SrTiO₃ weist eine höhere Dielektrizitätskonstante auf. Dies kann auch durch die Raumladungspolarisation an der Grenzfläche zwischen dem PDMS und SrTiO₃ . verursacht werden Partikel. Insbesondere wird die triboelektrische Ausgangsleistung durch die Erhöhung der Kapazität durch das erhöhte ε . verbessert _r /d _PDMS während des Kontaktvorgangs. Neben dielektrischen Nanopartikeln, verschiedene Arten von Materialien mit hoher Permittivität, wie Al-dotiertes BaTiO₃ und CaCu₃ Ti₄ O₁₂ , werden in den triboelektrischen Schichten aufgebracht, was zu einer verbesserten Dielektrizitätskonstante und der resultierenden triboelektrischen Leistung führt (Abb. 2b) [44, 45]. Andererseits ermöglicht die Zugabe von leitfähigen Materialien die Bildung von Mikrokondensatorstrukturen in der Polymermatrix, die eine Raumladungsakkumulation an der Grenzfläche zwischen Polymermatrix und Additiven induzieren können. Diese Art der Grenzflächenpolarisation wird durch den größeren Leitfähigkeitsunterschied zwischen dem Polymer und den leitfähigen Additiven verursacht.

Triboelektrische Leistung verbessert durch Grenzflächenpolarisation in Nanopartikel/Polymer-Kompositen mit hoher Permittivität:a Triboelektrischer Nanogenerator auf Basis von dielektrischem Nanopartikel/Schwamm auf PDMS-Kompositbasis (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [23]. Copyright 2016 American Chemical Society). b Triboelektrischer Nanogenerator im Kontakttrennungsmodus mit P(VDF-TrFE)- und PDMS-hochdielektrischen Partikelverbundfilmen als Reibungsschichten (Wiedergabe aus Lit. [45]. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

Daher weisen Polymerverbundwerkstoffe mit metall- oder kohlenstoffbasierten Materialien im Vergleich zu reinen Polymeren erhöhte Dielektrizitätskonstanten auf, was zu einer Erhöhung der Oberflächenladungsdichte und der resultierenden triboelektrischen Leistung führt (Abb. 3) [6, 46]. Obwohl Polymerkomposite mit hoher Permittivität als triboelektrisch negative Materialien weit verbreitet sind, gibt es einige Einschränkungen hinsichtlich der Verbesserung der Ausgangsleistung:(1) Es gibt ein optimiertes Verhältnis von Additiven in der Polymermatrix, da übermäßige Additive Kriechströme verursachen [46, 48] oder reduzierte Oberflächenreibungsfläche [23, 49], was zu einer Abnahme der Abtriebsleistung führt. (2) Die Additive sollten in der Polymermatrix homogen dispergiert sein, um die Grenzflächenpolarisation zu verbessern, da die aggregierten Nanopartikel die Grenzflächenpolarisation durch die Verringerung der Grenzfläche zwischen dem Polymer und den Nanopartikeln unterbrechen.

Durch Grenzflächenpolarisation verstärkte triboelektrische Leistung in Polymerverbundwerkstoffen mit Materialien auf Metall- oder Kohlenstoffbasis:a GPs@PDMS-verbundbasierter triboelektrischer Nanogenerator (Wiedergabe aus Lit. [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). b Flüssig-Metall-Einschluss-basierter triboelektrischer Nanogenerator mit sandwichartig angeordneten dielektrischen Stapeln (Wiedergabe aus Lit. [48]. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

Grenzflächenpolarisation in mehrschichtigen Polymerfolien

Bei Nanopartikel/Polymer-Kompositen mit zufälliger Phase ist die Grenzflächenpolarisation schwer zu kontrollieren, da eine genaue Kontrolle der Menge und Dispersion der Nanopartikel erforderlich ist [30]. Bei mehrschichtigen Dielektrika kann die Grenzflächenpolarisation leicht gesteuert werden, da alle Grenzflächen senkrecht zum elektrischen Feld sind, was zu einer gleichförmigen Raumladungsakkumulation an den mehrschichtigen Grenzflächen und einer verbesserten Dielektrizitätskonstante führt. Mehrschichtige Polymerdielektrika wurden umfassend untersucht, um ihre Dielektrizitätskonstante durch Grenzflächenpolarisation zwischen unähnlichen Polymerschichten zu verbessern [50]. Grenzflächenpolarisation tritt auf, wenn sich die Raumladungen (Elektronen und Ionen) an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien mit großen Kontrasten in Permittivität und elektrischer Leitfähigkeit unter einem externen Feld ansammeln [30]. Kimet al. [51] und Feng et al. [52] demonstrierten die Wirkung von Doppelschichtfilmen mit einem größeren Unterschied in der relativen Permittivität auf die triboelektrische Ausgangsleistung (Abb. 4a,b). Das Hinzufügen von unteren dielektrischen Schichten zwischen der leitenden Schicht und der Elektrode bewirkt ein Einfangen oder Speichern von Ladungen im dielektrischen Film, was zu einer erhöhten Ladungsdichte führt. Die Ladungsakkumulation könnte durch die erhöhte Polarisation an der Grenzfläche von Doppelschichtfilmen durch den großen Unterschied in der Permittivität oder Leitfähigkeit zwischen PVDF und Isolierfilmen verursacht werden. Andererseits demonstrierte unsere Gruppe den Einfluss einer Doppelschichtfolie bestehend aus Polymeren mit unterschiedlichen Fluoreinheiten und Polyethylenterephthalat(PET)-Isolierschichten auf die Ausgangsleistung (Abb. 4c) [53]. Insbesondere fluorierte Polymere mit drei Fluoreinheiten in der Seitenkette (Poly(2,2,2-trifluorethylmethacrylat), PTF) werden auf PET-Substraten mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante beschichtet, wodurch die Dielektrizitätskonstante erhöht wird, was durch die verbesserte Grenzflächenpolarisation an der Grenzfläche zwischen dem halbkristallinen PTF und PET. Folglich zeigte das PTF-PET eine höhere triboelektrische Leistung als die anderen fluorierten Polymerfilme. Basierend auf den oben genannten Ergebnissen können heterogene dielektrische Mehrschichtfilme ein robustes Design sein, um die triboelektrische Leistung von flexiblen oder tragbaren Geräten zu verbessern.

Triboelektrische Leistung, verbessert durch Grenzflächenpolarisation in mehrschichtigen Polymerfilmen:a Triboelektrischer Nanogenerator bestehend aus PVDF/PDMS-Doppelschicht und Nylon 6/PDMS-Doppelschicht mit verschiedenen PDMS-Zwischenschichtdicken (Angepasst aus Lit. [51]. Copyright 2018 Elsevier). b Triboelektrischer Nanogenerator ohne und mit PI als Übergangsschicht zur Ladungsspeicherung (Angepasst aus Lit. [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Zweischichtiger triboelektrischer Nanogenerator basierend auf fluorierten Polymeren mit verschiedenen Arten von Fluoreinheiten (Wiedergabe aus Lit. [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Ionenpolarisation in ionischen Polymergelen

In der Polymermatrix, die die ionischen Komponenten außer Verunreinigungsionen enthält, fördert die ionische Polarisation die Bildung einer elektrischen Doppelschicht (EDL) an der Grenzfläche zwischen dem Polymerelektrolyt und der Elektrode, wodurch die Dielektrizitätskonstante erhöht wird [30, 39, 54]. Polarisation wird häufig in Energiespeichergeräten wie Kondensatoren (z. B. Superkondensatoren oder EDL-Kondensatoren) und Batterien verwendet [55]. Nach der Helmholtz-Gleichung kann die Kapazität ausgedrückt werden als C ≈ kε ₀ /λ , wobei k , ε ₀ , und λ sind die effektive Dielektrizitätskonstante der EDL, die Vakuumpermittivität bzw. die Debye-Abschirmungslänge (oder die Dicke der Doppelschicht). In einer triboelektrischen Vorrichtung werden häufig ionische Komponenten wie symmetrische oder asymmetrische Ionenpaare und ionische Flüssigkeiten in Polymermaterialien verwendet. Da Poly(vinylalkohol) (PVA) aufgrund der Hydroxylgruppen im Polymerrückgrat eine Art negatives triboelektrisches Material ist, kann es mit verschiedenen Arten von Ionenpaaren wechselwirken. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, kann aufgrund der relativen Verschiebungen zwischen den positiven und negativen Ionen eine ionische Polarisation auftreten, wodurch zur EDL-Bildung an der Grenzfläche zwischen den triboelektrischen Schichten beigetragen wird. Ryuet al. [43] stellten PVA-basierte feste Polymerelektrolyte (SPEs) mit symmetrischen oder asymmetrischen Ionen als positive bzw. negative triboelektrische Schichten her (Abb. 5a). Nach dem Kontaktprozess mit reinem PVA wurden systematisch unterschiedliche Oberflächenpotentiale durch den Einfluss unterschiedlicher ionischer Dotierungen gemessen. Beispielsweise werden die SPEs nach der Zugabe von Phosphorsäure (H₃ PO₄ ) mit mehr Kationen als Anionen oder Calciumchlorid (CaCl₂ ) mit mehr Anionen als Kationen, weil die Kationen oder Anionen zusätzliche elektronengeladene oder unbesetzte Zustände erzeugen. In der Praxis wird gezeigt, dass ein Ionenleiter, bestehend aus PVA mit Boraxlösung oder Poly(acylamid) mit Lithiumchlorid, in biomechanischen Energiegewinnungs- und taktilen Sensoranwendungen verwendet wird, was die triboelektrische Leistung durch die EDL-Bildung verbessert (Abb. 5b) [41, 42, 56]. In ähnlicher Weise haben Zou et al. [40] stellten einen bionischen dehnbaren Nanogenerator her, der aus einem Elastomer Ecoflex und einer Natriumchloridlösung (NaCl) bestand, inspiriert von der Struktur der Ionenkanäle auf der Zytomembran des Elektrolyten in einem Zitteraal. Durch die Kombination der Effekte der Triboelektrifizierung durch fließende Flüssigkeit und elektrostatischer Induktion durch polarisierte Ionen gewinnt das Gerät mechanische Energie aus der Bewegung des Menschen unter Wasser mit einer Leerlaufspannung von über 10 V. Darüber hinaus haben Lee et al. [56] untersuchten die triboelektrische Leistung, wenn ein Nanogenerator mit einer Ionen-Gel-Einheit aus einer ionischen Flüssigkeit und Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) verbunden wurde, was aufgrund der langen Relaxationszeit der polarisierten Ionen ein breites und träges Spannungsprofil ergab (Abb. 5c). Triboelektrische Geräte auf Ionengelbasis ermöglichen die Herstellung von ultradehnbaren, transparenten und wasserdichten tragbaren Geräten, obwohl die Geräte von der Elastomermatrix eingekapselt werden sollten, um ein Austreten von Ionen zu verhindern.

Triboelektrische Leistung, verbessert durch ionische Polarisation in einem ionischen Polymergel:a SPE-triboelektrischer Nanogenerator basierend auf PVA mit verschiedenen Ionenarten (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [43]. Copyright 2017 Wiley–VCH). b Weicher, hautähnlicher triboelektrischer Nanogenerator, der sowohl biomechanisches Energiesammeln als auch taktile Wahrnehmung durch Hybridisierung von Elastomer und ionischem Hydrogel (PAAm-LiCl) als Elektrifizierungsschicht bzw. Elektrode ermöglicht (Reproduziert unter den Bedingungen der CC-BY-NC 4.0-Lizenz. Ref [41] Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science). c Triboelektrisches Ionen-Gel-System, bestehend aus dem triboelektrischen Nanogenerator und den Ionen-Gel-Einheiten (Wiedergabe aus Lit. [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Dipolare Polarisation in ferroelektrischen PVDF-Derivaten

Dipolare (orientierende) Polarisation ist eine weitere Strategie zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante bei geringem dielektrischen Verlust, der durch das erhöhte Dipolmoment durch die ausgerichteten Dipole in den Phasenstrukturen der Polymerketten verursacht wird. Typische Beispiele sind PVDF und seine Derivate. Die Polymere haben permanente Dipolmomente, da das unidirektionale β -Phase gebildet, was zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante und der resultierenden triboelektrischen Leistung führt. Cheonet al. [37] demonstrierten triboelektrische Hochleistungs-Nanogeneratoren auf der Basis von PVDF-Silber-Nanodraht-(AgNW)-Komposit-Nanofasern (Abb. 6a). Die Einführung von AgNWs in PVDF erhöht das Verhältnis der β -Phase zum α -Phase durch die Wechselwirkung zwischen AgNWs und PVDF-Molekülketten, was zu einer verbesserten Dielektrizitätskonstante führt, die das Einfangen von Ladungen an der dielektrischen PVDF-AgNW-Schicht ermöglicht. Zusätzlich zu den Metallquellen, Seung et al.. [38] führte halbleitende Nanopartikel ein (BaTiO₃ ) in eine ferroelektrische Copolymermatrix (Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen), PVDF-TrFE) (Abb. 6b). Die triboelektrische Leistung wird nach dem Polungsprozess deutlich verbessert, der über 150-mal größer ist als die von typischen triboelektrischen Nanogeneratoren auf Polytetrafluorethylen-Basis. Im Gegensatz zu den heterogenen Polymerverbundwerkstoffen demonstrierte unsere Gruppe kürzlich die Wirkung von ferroelektrischen mehrschichtigen Nanoverbundwerkstoffen auf die triboelektrische Leistung (Abb. 6c) [57]. Die mehrschichtigen dielektrischen Filme bestehend aus abwechselnd PVDF-TrFE und BaTiO₃ Schichten zeigen eine höhere Dielektrizitätskonstante (17,1) als die reine PVDF-TrFE-Folie (13,9) und einzelne PVDF-TrFE/BaTiO₃ Nanokomposit (15.9) aufgrund der Grenzflächenpolarisation zwischen den Copolymer- und Nanopartikelschichten, wie im Abschnitt über den mehrschichtigen dielektrischen Film erläutert (Abb. 4). Sequentiell erhöht sich die triboelektrische Ausgangsleistung im Vergleich zu den einschichtigen Folien. Obwohl ferroelektrische Polymer-Nanokomposite die triboelektrische Ausgangsleistung aufgrund der erhöhten Dielektrizitätskonstante durch die hohe ferroelektrische Polarisation verbessern, gibt es aufgrund der Perkolationsschwelle der Additive eine Einschränkung bei der Erhöhung der Ausgangsleistung.

Triboelektrische Leistung verbessert durch dipolare Polarisation in ferroelektrischen PVDF-Verbundwerkstoffen:a Triboelektrischer Nanogenerator basierend auf dem PVDF-AgNW-Komposit und Nylon-Nanofasern, hergestellt durch Elektrospinnverfahren (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [37]. Copyright 2018 Wiley-VCH). b Ferroelektrischer triboelektrischer Nanogenerator auf Kompositbasis (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [38]. Copyright 2017 Wiley–VCH). c Mehrschichtiger triboelektrischer Nanogenerator auf PVDF-TrFE/BTO-Basis (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [57]. Copyright 2020 American Chemical Society)

Andererseits kann das Dipolmoment durch die Einführung polarer Einzelmoleküle [58] wie –CN, –NO₂ . modifiziert werden , und –SO₂ – oder polare Polymere [59,60,61], darunter Polystyrol, Poly(2-hydroxyethylmethacrylat) und Poly(dopaminmethacrylamid), die die Rotation von Dipolen im freien Volumen von Polymeren ermöglichen und dadurch zu einer Verbesserung der die Dielektrizitätskonstante. Dipolare Polarisation wurde kürzlich genutzt, um die Dielektrizitätskonstante triboelektrischer Materialien zu erhöhen, indem polare Gruppen mit großen Dipolmomenten an die Seitenkette von Polymeren angebracht wurden [22]; Leeet al. zeigten, dass das PVDF-Pfropfcopolymer die triboelektrische Ausgangsleistung bemerkenswert erhöhte (Abb. 7). Poly(tert-butylacrylat) (PtBA) mit unterschiedlichen Pfropfverhältnissen wurde in die PVDF-Kette eingeführt, was zu einem erhöhten Dipolmoment durch π-Bindungen und polaren Estergruppen in PtBA führte, was die Dielektrizitätskonstante und anschließend die triboelektrische Ausgangsleistung verbesserte. Neben dem Pfropfpolymer erhöhen Polymerdielektrika mit nanostrukturierten Domänen die Dielektrizitätskonstante durch dipolare Orientierungspolarisierbarkeit [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. a 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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

EDL:

Electric double layer

PDMS:

Polydimethylsiloxan

PET:

Polyethylenterephthalat

PtBA:

Poly(tert-butyl acrylate)

PTF:

Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)

PVA:

Poly(vinyl alcohol)

PVDF:

Polyvinylidenfluorid

SPE:

Solid polymer electrolyte