Steigerung der triboelektrischen Energieernte: Ein umfassender Review zu Dielektrischen Polarisationstechniken

Zusammenfassung

Energieerntegeräte basierend auf dem triboelektrischen Effekt haben große Aufmerksamkeit erregt, wegen ihrer höheren Ausgangsleistung im Vergleich zu anderen Nanogeneratoren, die in verschiedenen tragbaren Anwendungen genutzt wurden. Basierend auf dem Arbeitsmechanismus ist die triboelektrische Leistung hauptsächlich proportional zur Oberflächenladungsdichte der triboelektrischen Materialien. Verschiedene Ansätze, wie Modifikation der Oberflächenfunktionsgruppen und dielektrische Zusammensetzung der triboelektrischen Materialien, wurden eingesetzt, um die Oberflächenladungsdichte zu erhöhen, was zu Verbesserungen der triboelektrischen Leistungen führte. Bemerkenswert ist, dass die Abstimmung der dielektrischen Eigenschaften triboelektrischer Materialien die Oberflächenladungsdichte signifikant erhöhen kann, da die Oberflächenladung proportional zur relativen Permittivität des triboelektrischen Materials ist. Die relative Dielektrizitätskonstante wird durch dielektrische Polarisation modifiziert, wie elektronische, vibrationale (oder atomare), orientierungspolare (oder dipolare), ionische und interfaciale Polarisation. Daher stellt eine solche Polarisation einen kritischen Faktor zur Verbesserung der Dielektrizitätskonstante und der konsequenten triboelektrischen Leistung dar. In diesem Review fassen wir die jüngsten Erkenntnisse zur Verbesserung der triboelektrischen Leistung durch verstärkte dielektrische Polarisation zusammen.

Einleitung

Piezoelektrische, pyroelektrische und triboelektrische Geräte haben große Aufmerksamkeit als Energieerntegeräte für die Stromerzeugung aus der Umgebung erregt, wie Wasser, Wind, Licht, Temperatur und Vibration [1]. Zusätzlich zu den Stromquellen können diese Geräte als selbstversorgende Sensoren für verschiedene Anwendungen wie elektronische Haut, Gesundheitsüberwachungsgeräte und Robotik verwendet werden [2]. Unter ihnen zeigen triboelektrische Geräte relativ höhere Ausgangsleistungen, wenn ein Paar triboelektrischer Materialien in Kontakt kommt [3,4,5,6]. Die erzeugten triboelektrischen Signale können direkt zum Betreiben elektrischer Geräte [7,8,9,10,11] oder zur Überwachung mechanischer oder chemischer Reize an den Geräten [4] verwendet werden. Triboelektrische Geräte können einfach für einfache Fertigung, niedrige Kosten, hervorragende Ausgangsleistung und Flexibilität im Vergleich zu anderen Technologien entworfen werden, was vorteilhaft für selbstversorgende tragbare Anwendungen ist [12].

Triboelektrizität tritt aufgrund von Kontaktelektrifizierung und elektrostatischer Induktion zwischen unterschiedlichen triboelektrischen Materialien auf. Der mechanische Kontakt induziert kompensierte entgegengesetzte Ladungen auf jeder triboelektrischen Schicht aufgrund der Kontaktelektrifizierung, und die mechanische Trennung resultiert im Stromfluss durch den externen Kreis aufgrund elektrostatischer Induktion. Daher wird die triboelektrische Ausgangsleistung direkt durch die Oberflächenladungen auf triboelektrischen Schichten beeinflusst.

Für hohe triboelektrische Ausgangsleistungen sind effiziente Oberflächenladungserzeugung während der Kontaktelektrifizierung und effektiver Ladungstransfer während der elektrostatischen Induktion notwendig. Daher ist es entscheidend, geeignete triboelektrische Kontaktpaar-Materialien auszuwählen und optimale Gerätestrukturen zu entwerfen. Basierend auf ihrem Arbeitsmechanismus wurden vier verschiedene Typen triboelektrischer Geräte, die aus dielektrischen Materialien als triboelektrische Schichten bestehen, berichtet [5]. Es gibt zwei Kategorien triboelektrischer Geräte basierend auf den Typen der triboelektrischen Kontaktpaar-Materialien: dielektrisch-zu-dielektrisch und leiter-zu-dielektrisch Kontaktmodus-Geräte (Abb. 1a) [13]. Im ersteren werden zwei dielektrische Platten mit Dicken d₁ und d₂ sowie relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r,1 und ε_r,2 jeweils, Gesicht an Gesicht als triboelektrische Schichten gestapelt, und die Elektrodenschichten werden auf die äußere dielektrische Oberfläche abgeschieden. Der Abstand (x) zwischen den beiden triboelektrischen Schichten variiert unter einer periodischen mechanischen Kraft.

Anschließend haben die kontaktierten triboelektrischen Schichtoberflächen entgegengesetzte Oberflächenladungen, aber die gleiche Dichte (σ) durch Kontaktelektrifizierung. Wenn die triboelektrischen Schichten beginnen, sich aufgrund der zunehmenden Distanz voneinander zu trennen, wird eine Potentialdifferenz (V) zwischen den beiden Elektroden durch die Mengen der transferierten positiven/negativen Ladungen (+Q/–Q) induziert. Ähnlich im Leiter-zu-dielektrisch Kontaktmodus ohne die Dielektrikum-1-Schicht wird Metall 1 sowohl als obere triboelektrische Schicht als auch als obere Elektrode verwendet. In dieser Gerätestruktur gibt es zwei Teile von Ladungen in Metall 1: die triboelektrischen Ladungen (S × σ) und die transferierten Ladungen zwischen den beiden Elektroden (–Q), was zu (Sσ - Q) der Gesamtladungen in Metall 1 führt. Betrachtet man die oben erwähnten Kontaktmodus-Triboelektrik-Geräte, kann die Ausgangsleistung basierend auf Elektrodynamik wie folgt abgeleitet werden [13]:

V = - Q / (Sε₀) (d₀ + x(t)) + σ x(t) / ε₀ (1)

V_OC = σ · x(t) / ε₀, I_SC = dQ_SC/dt,
Q_SC = Sσ x(t) / (d₀ + x(t)), d₀ = Σ_i=1ⁿ d_i / ε_r,i (2)

Die effektive dielektrische Dicke d₀ ist definiert als die Summation aller Dicken der Dielektrika d_i geteilt durch ihre relative Permittivität ε_r,i. Basierend auf Gleichung 2 wird die triboelektrische Leistung direkt durch die Oberflächenladungsdichte (σ) der dielektrischen Schichten beeinflusst.

Zuvor wurde berichtet, dass die Oberflächenmodifikation triboelektrischer Materialien oder die Einführung hochdielektrischer Materialien die Oberflächenladungsdichte erhöht. Oberflächenmodifikation, wie Kontrolle der Oberflächenmorphologie [14,15,16,17] oder Einführung geladener Ionen [18,19,20,21], erhöht die Oberflächenladungsdichte durch Vergrößerung der Oberfläche oder triboelektrischen Polarität zwischen den triboelektrischen Paarschichten. 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 Plattenkondensator-Modell kann die Oberflächenladungsdichte mit der Kapazität der dielektrischen Schicht wie folgt in Beziehung gesetzt werden [23,24,25]:

σ = CV/S, C = Sεε₀/d (3)

wobei C und S die Kapazität und Kontaktfläche anzeigen. Aus Gleichung 3 folgt, da die Kapazität (C), die ein Faktor ist, der die Oberflächenladungsdichte in einem dielektrischen Kontaktmodus-Triboelektrik-Gerät verbessern kann [6], mit der Dielektrizitätskonstante und/oder der Reduktion der Dicke der dielektrischen Schicht zunimmt, ist die Oberflächenladungsdichte direkt proportional zum Verhältnis der Dielektrizitätskonstante zur Dicke (ε/d). Ähnlich im triboelektrischen Gerät kann die Kapazität der tribo-dielektrischen Schicht aus Gleichung 2 wie folgt ausgedrückt werden:

C = Q_SC/V_OC = ε₀S / (d₀ + x(t)) (4)

Beispielsweise ist die Verwendung einer porösen dielektrischen Schicht in einem triboelektrischen Gerät ein effizienter Weg, das ε/d-Verhältnis stark zu erhöhen, indem gleichzeitig die Dielektrizitätskonstante erhöht und die Dicke verringert wird, wenn die dielektrische Schicht unter externem Druck gepresst wird, was die Oberflächenladungsdichte signifikant erhöht [17, 23, 26, 27], selbst wenn die gleichen triboelektrischen Schichten verwendet werden. Daher ist die Dielektrizitätskonstante der triboelektrischen Schicht ein effektiver Faktor, um die Oberflächenladungsdichte besser zu verbessern als das Oberflächenpotenzial, das durch die Auswahl der triboelektrischen Paarmaterialien bestimmt wird.

Obwohl die Dielektrizitätskonstante eines triboelektrischen Materials ein wichtiger Faktor bei der Verbesserung triboelektrischer Leistungen ist, gab es keine umfassenden Diskussionen über die Prinzipien und Strategien zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante. Zuvor wurden mehrere hervorragende Reviews zu triboelektrischen Geräten, einschließlich triboelektrischer Materialien und ihrer Arbeitsmechanismen, berichtet [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; jedoch wurden bisher nur wenige Studien zu dielektrisch-induzierten triboelektrischen Geräten berichtet. Hier führen wir die Grundlagen der dielektrischen Polarisation ein und demonstrieren, dass die Ausgangsleistungen triboelektrischer Geräte signifikant kontrolliert und verbessert werden können durch das Design dielektrischer Materialien mit kontrollierter dielektrischer Polarisation.

Dielektrische Polarisation für verbesserte triboelektrische Leistung

Die Dielektrizitätskonstante (oder relative Permittivität) ist definiert als ein Faktor, wodurch das angelegte elektrische Feld durch die dielektrische Polarisation von Materialien verringert wird, was durch das Engineering dielektrischer Materialien durch Einführung dielektrischer Additive oder Modifikation chemischer Strukturen verstärkt werden kann, was zu verschiedenen dielektrischen Phänomenen führt. Dielektrische Polarisation kann in elektronische, vibrationale (oder atomare), orientierungspolare (oder dipolare), ionische und interfaciale Polarisation 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 externen elektrischen Feld induziert, wodurch elektrische Dipolmomente erworben werden, die im Resonanzregime über Infrarotfrequenzen (> 100 GHz) auftreten. Als polarisationsbasierte Materialien, wie Halbleiter, keinen dielektrischen Verlust unter 1 GHz haben, sind sie für praktische Anwendungen von einigen Hz bis 1 GHz am wünschenswertesten. Die meisten organischen Polymere weisen jedoch niedrigere Dielektrizitätskonstanten (< 10) als Halbleitermaterialien auf, wegen der intrinsischen Natur ihrer molekularen Bindung, die elektronische und atomare Polarisation nicht induzieren kann. Um elektronische und atomare Polarisationen in Polymeren weiter zu induzieren, sollten die Polymerkettenstrukturen größere Atome mit polarisierbaren Elektronen wie Si, Ge oder Sn als die grundlegenden Polymerzusammensetzungen enthalten [34,35,36]. Obwohl Si-basierte Polymere wie Polysiloxane oder ihre Derivate synthetisiert werden, ist die Dielektrizitätskonstante nicht größer als 3–4. Daher ist es schwierig, die elektronische/atomare Polarisation in isolierenden Polymeren zu erhöhen.

In Polymeren, während elektronische und atomare Polarisationen begrenzt sind, die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen, wegen der intrinsischen molekularen Bindungsstruktur, können die anderen dipolaren, ionischen und interfacialen Polarisationen genutzt werden, um die Dielektrizitätskonstante zu verbessern. Dipolare (Orientierungs-) Polarisation wird durch die Neuausrichtung permanenter molekularer Dipolmomente in Polymeren oder Nanokompositen einschließlich Nanopartikeln oder dipolaren Moieties verursacht, was von Phasenstrukturen (amorph oder kristallin), Temperatur und Frequenz (normalerweise < 10 MHz) beeinflusst wird [32, 33]. Die Modifikation von Dipolstrukturen ermöglicht die Herstellung von dipolarem Glas, ferroelektrischen und Relaxor-Ferroelektrik-Polymeren [30]. Beispielsweise führt die Dipolorientierung von Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Derivaten zur Bildung einer β-Phase, wodurch die Dielektrizitätskonstante erhöht wird, was die triboelektrische Leistung verbessert [37, 38]. Ionische Polarisation kann durch relative Verschiebungen zwischen positiv und negativ geladenen Ionen unter externer Kraft 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 die triboelektrische Leistung verbessert [40,41,42,43]. Interfaciale Polarisation wird durch die Reorganisation von Raumladungen an Grenzflächen in dielektrischen Kompositen induziert [30, 31]. Daher ist interfaciale Polarisation in allen Mehrkomponenten-dielektrischen Systemen beobachtbar, einschließlich halbkristalliner Polymere, Polymerblends oder Nanokompositen mit hoch-k- oder leitenden Nanofüllern. Kürzlich wurden Polymernanokomposite mit hoch-k-Nanopartikeln, die die netto Dielektrizitätskonstante verbessern, wodurch die Oberflächenladungsdichte und somit die triboelektrische Leistung erhöht wird, in triboelektrischen Geräten genutzt [23, 44, 45]. In den folgenden Abschnitten führen wir einige Beispiele ein, um die Verbesserung der triboelektrischen Ausgangsleistung durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstante zu demonstrieren.

Interfaciale Polarisation in Hoch-Permittivitäts-Nanopartikel/Polymer-Kompositen

Hoch-Permittivitäts-Nanopartikel werden genutzt, um die Dielektrizitätskonstanten von Polymernanokompositen zu verbessern aufgrund der Polarisation an der Grenzfläche zwischen Polymer und Nanopartikeln. Da anorganische (z. B. Bariumtitanat (BaTiO₃) Nanopartikel und Nanodrähte) oder leitende (z. B. Metall-Nanopartikel, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) Nanomaterialien breit in Polymermatrizen eingesetzt werden, um die netto Dielektrizitätskonstante zu erhöhen, haben Polymerekomposite mit verschiedenen Additiven höhere Dielektrizitätskonstanten als Basispolymere, was zu verbesserten triboelektrischen Leistungen führt. Chen et al. bereiteten einen schwammartigen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Film vor, der hoch-k-Nanopartikel (SiO₂, TiO₂, BaTiO₃ und SrTiO₃) enthielt, um triboelektrische Leistungen zu verbessern (Abb. 2a) [23]. Da SrTiO₃ höhere Permittivität als die anderen aufweist, zeigt PDMS mit SrTiO₃ eine höhere Dielektrizitätskonstante. Dies kann auch durch die Raumladungspolarisation an der Grenzfläche zwischen PDMS und SrTiO₃-Partikeln verursacht werden. Bemerkenswert ist, dass die triboelektrische Ausgangsleistung durch die Erhöhung der Kapazität durch das erhöhte ε_r/d_PDMS während des Kontaktprozesses verbessert wird. Zusätzlich zu dielektrischen Nanopartikeln werden verschiedene Arten hoch-permittiver Materialien, wie Al-dotiertes BaTiO₃ und CaCu₃Ti₄O₁₂, in den triboelektrischen Schichten angewendet, was zu einer verbesserten Dielektrizitätskonstante und der resultierenden triboelektrischen Leistung führt (Abb. 2b) [44, 45]. Andererseits ermöglicht die Zugabe leitender Materialien die Bildung von Mikrokondensator-Strukturen in der Polymermatrix, was Raumladungsakkumulation an der Grenzfläche zwischen Polymermatrix und Additiven induzieren kann. Diese Art der interfacialen Polarisation wird durch den größeren Unterschied in der Leitfähigkeit zwischen Polymer und leitenden Additiven verursacht.

Daher weisen Polymerekomposite mit Metall- oder Kohlenstoff-basierten Materialien erhöhte Dielektrizitätskonstanten im Vergleich zu reinen Polymeren auf, was zu einer Erhöhung der Oberflächenladungsdichte und der resultierenden triboelektrischen Leistung führt (Abb. 3) [6, 46]. Obwohl hoch-permittive Polymerekomposite breit als triboelektrische negative Materialien verwendet werden, gibt es einige Einschränkungen bezüglich der Verbesserung der Ausgangsleistung: (1) Es gibt ein optimiertes Verhältnis von Additiven in der Polymermatrix, weil übermäßige Additive Leckströme [46, 48] oder reduzierte Oberflächenreibungsfläche [23, 49] verursachen, was zu einer Abnahme der Ausgangsleistung führt. (2) Die Additive sollten homogen in der Polymermatrix dispergiert sein, um die interfaciale Polarisation zu verbessern, weil aggregierte Nanopartikel die interfaciale Polarisation durch Reduktion der Grenzflächenfläche zwischen Polymer und Nanopartikeln unterbrechen.

Interfaciale Polarisation in Mehrschicht-Polymerfilmen

Bei zufälligen Phasen-Nanopartikel/Polymer-Kompositen ist interfaciale Polarisation schwer zu kontrollieren, weil die präzise Kontrolle der Menge und Dispersion von Nanopartikeln erforderlich ist [30]. In Mehrschicht-Dielektrika kann interfaciale Polarisation leicht kontrolliert werden, weil alle Grenzflächen senkrecht zum elektrischen Feld stehen, was zu einheitlicher Raumladungsakkumulation an den Mehrschicht-Grenzflächen und erhöhter Dielektrizitätskonstante führt. Mehrschicht-Polymerdielektrika wurden breit untersucht, um ihre Dielektrizitätskonstante durch interfaciale Polarisation zwischen unähnlichen Polymerschichten zu erhöhen [50]. Interfaciale Polarisation tritt auf, wenn Raumladungen (Elektronen und Ionen) an der Grenzfläche zwischen zwei unähnlichen Materialien mit großen Kontrasten in Permittivität und elektrischer Leitfähigkeit unter einem externen Feld akkumulieren [30]. Kim et al. [51] und Feng et al. [52] demonstrierten den Effekt von Doppelschichtfilmen mit einem größeren Unterschied in der relativen Permittivität auf die triboelektrische Ausgangsleistung (Abb. 4a,b). Die Hinzufügung niedrigerer dielektrischer Schichten zwischen der leitenden Schicht und Elektrode verursacht Ladungsfang oder -speicherung in der dielektrischen Schicht, 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 isolierenden Filmen verursacht werden. Andererseits demonstrierte unsere Gruppe den Effekt eines Doppelschichtfilms, bestehend aus Polymeren mit unterschiedlichen Fluoreinheiten und Polyethylenterephthalat (PET) Isolierschichten, auf die Ausgangsleistung (Abb. 4c) [53]. Bemerkenswert ist, dass fluorierte Polymere mit drei Fluoreinheiten in der Seitenkette (Poly(2,2,2-trifluorethylmethacrylat), PTF) auf PET-Substrate mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante beschichtet sind, wodurch die Dielektrizitätskonstante erhöht wird, was durch die verbesserte interfaciale Polarisation an der Grenzfläche zwischen halbkristallinem PTF und PET verursacht wird. Folglich zeigte PTF-PET eine höhere triboelektrische Leistung als die anderen fluorierten Polymerfilme. Basierend auf den oben genannten Ergebnissen können heterogene dielektrische Mehrschichtfilme ein robustes Design zur Verbesserung der triboelektrischen Leistung von flexiblen oder tragbaren Geräten sein.

Ionische Polarisation in Ionischen Polymergelen

In der Polymermatrix einschließlich der ionischen Komponenten außer Verunreinigungsionen fördert ionische Polarisation die Bildung einer elektrischen Doppelschicht (EDL) an der Grenzfläche zwischen Polymerelektrolyt und Elektrode, was zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante führt [30, 39, 54]. Polarisation wird oft in Energiespeichergeräten genutzt, wie Kondensatoren (z. B. Superkondensatoren oder EDL-Kondensatoren) und Batterien [55]. Laut der Helmholtz-Gleichung kann die Kapazität als C ≈ kε₀/λ ausgedrückt werden, wobei k, ε₀ und λ die effektive Dielektrizitätskonstante der EDL, Vakuumpermittivität und Debye-Screening-Länge (oder Dicke der Doppelschicht) sind. In einem triboelektrischen Gerät werden ionische Komponenten, wie symmetrische oder asymmetrische Ionenpaare und ionische Flüssigkeiten, in polymeren Materialien oft eingesetzt. Da Poly(vinylalkohol) (PVA) ein Typ negativer triboelektrischer Material ist wegen der Hydroxylgruppen im Polymerrückgrat, kann es mit verschiedenen Arten von Ionenpaaren interagieren. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, kann ionische Polarisation aufgrund der relativen Verschiebungen zwischen positiven und negativen Ionen auftreten, was zur EDL-Bildung an der Grenzfläche zwischen den triboelektrischen Schichten beiträgt. Ryu et al. [43] bereiteten PVA-basierte feste Polymerelektrolyte (SPEs) mit symmetrischen oder asymmetrischen Ionen als positive oder negative triboelektrische Schichten vor (Abb. 5a). Nach dem Kontaktprozess mit reinem PVA wurden verschiedene Oberflächenpotenziale systematisch durch den Effekt verschiedener Arten von Ionendotierung gemessen. Beispielsweise werden die SPEs nach Zugabe von Phosphorsäure (H₃PO₄) mit mehr Kationen als Anionen oder Calciumchlorid (CaCl₂) mit mehr Anionen als Kationen zu negativen oder positiven triboelektrischen Materialien, jeweils, weil die Kationen oder Anionen zusätzliche elektronisch geladene oder unbesetzte Zustände erzeugen. Praktisch wird gezeigt, dass ein ionischer Leiter bestehend aus PVA mit Borax-Lösung oder Poly(acrylamid) mit Lithiumchlorid in biomechanischer Energieernte und taktiler Sensorik angewendet wird, was triboelektrische Leistungen durch EDL-Bildung verbessert (Abb. 5b) [41, 42, 56]. Ähnlich fabriizierten Zou et al. [40] einen bionischen dehnbaren Nanogenerator, bestehend aus einem Elastomer Ecoflex und Natriumchlorid (NaCl) Lösung, inspiriert von der Struktur der Ionenkanäle auf der Zytomembran des Elektrolyten in einem Elektrischen Aal. Durch Kombination der Effekte von Triboelektrifizierung durch fließende Flüssigkeit und elektrostatischer Induktion durch polarisierte Ionen erntet das Gerät mechanische Energie aus Unterwasser-Menschbewegung mit einer Leerlaufspannung über 10 V. Darüber hinaus untersuchten Lee et al. [56] die triboelektrische Leistung, wenn ein Nanogenerator an eine Iongel-Einheit angeschlossen wurde, zusammengesetzt aus einer ionischen Flüssigkeit und Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen), was ein breites und träges Spannungsprofil aufgrund der großen Relaxationszeit der polarisierten Ionen erzeugte (Abb. 5c). Iongel-basierte triboelektrische Geräte ermöglichen die Fertigung ultradehnbarer, transparenter und wasserdichter tragbarer Geräte, obwohl die Geräte durch die elastomere Matrix eingekapselt werden sollten, um Ionenleckage zu verhindern.

Dipolare Polarisation in Ferroelektrischen PVDF-Derivaten

Dipolare (orientierungs-) Polarisation ist eine weitere Strategie, um die Dielektrizitätskonstante mit niedrigem dielektrischem Verlust zu erhöhen, was 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 die unidirektionale β-Phase gebildet wird, was zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante und der resultierenden triboelektrischen Leistung führt. Cheon et al. [37] demonstrierten hochleistungsfähige triboelektrische Nanogeneratoren basierend auf PVDF-Silbernanodraht (AgNW) Komposit-Nanofasern (Abb. 6a). Die Einführung von AgNWs in PVDF erhöht das Verhältnis der β-Phase zur α-Phase durch die Wechselwirkung zwischen AgNWs und PVDF-Molekülketten, was zu einer verbesserten Dielektrizitätskonstante führt, was Ladungsfang an der PVDF-AgNW-dielektrischen Schicht ermöglicht. Zusätzlich zu Metallquellen führten Seung et al. [38] halbleitende Nanopartikel (BaTiO₃) in eine ferroelektrische Copolymer-Matrix (Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen), PVDF-TrFE) ein (Abb. 6b). Die triboelektrische Leistung wird nach dem Poling-Prozess signifikant erhöht, was über 150-mal größer ist als die von typischen Polytetrafluorethylen-basierten triboelektrischen Nanogeneratoren. Im Gegensatz zu heterogenen Polymerekompositen demonstrierte unsere Gruppe kürzlich den Effekt von ferroelektrischen Mehrschicht-Nanokompositen auf triboelektrische Leistung (Abb. 6c) [57]. Die mehrschichtigen dielektrischen Filme, bestehend aus abwechselnden PVDF-TrFE und BaTiO₃ Schichten, zeigen eine höhere Dielektrizitätskonstante (17,1) als der reine PVDF-TrFE-Film (13,9) und der einzelne PVDF-TrFE/BaTiO₃ Nanokomposit (15,9) wegen der interfacialen Polarisation zwischen der Copolymer- und Nanopartikelschicht, wie im Abschnitt über den Mehrschicht-dielektrischen Film erklärt (Abb. 4). Folglich erhöht sich die triboelektrische Ausgangsleistung im Vergleich zu den einschichtigen Filmen. Obwohl ferroelektrische Polymernanokomposite die triboelektrische Ausgangsleistung aufgrund der erhöhten Dielektrizitätskonstante durch hohe ferroelektrische Polarisation verbessern, gibt es eine Limitation bei der Erhöhung der Ausgangsleistung wegen der Perkolationsschwelle der Additive.

Andererseits kann das Dipolmoment durch Einführung polarer Einzelmoleküle [58], wie –CN, –NO₂ und –SO₂–, oder polarer Polymere [59,60,61], einschließlich Polystyrol, Poly(2-hydroxyethylmethacrylat) und Poly(dopaminmethacrylamid), modifiziert werden, die die Rotation von Dipolen im Freivolumen der Polymere ermöglichen, was zu einer Verbesserung der Dielektrizitätskonstante führt. Dipolare Polarisation wurde kürzlich genutzt, um die Dielektrizitätskonstante triboelektrischer Materialien zu erhöhen, indem polare Gruppen mit großen Dipolmomenten an die Seitenkette von Polymeren angehängt wurden [22]; Lee et al. demonstrierten, dass das PVDF-graft-Copolymer die triboelektrische Ausgangsleistung bemerkenswert erhöhte (Abb. 7). Poly(tert-butylacrylat) (PtBA) mit unterschiedlichen Grafting-Ratios wurde in die PVDF-Kette eingeführt, was zu erhöhtem Dipolmoment durch π-Bindung und polare Ester-Gruppen in PtBA führte, was die Dielektrizitätskonstante und anschließend die triboelektrische Ausgangsleistung verbesserte. Zusätzlich zum Grafting-Polymer erhöhen Polymere-Dielektrika mit nanostrukturierten Domänen die Dielektrizitätskonstante durch dipolare orientierungs-polarisierbarkeit [62]. Obwohl polymerbasierte dielektrische Materialien einige Vorteile haben, wie Lösungsprozessierbarkeit und Flexibilität, wurden bisher wenige Studien berichtet, in denen eine solche Polarisation in triboelektrischen Geräten eingesetzt wird.

Schlussfolgerungen und Ausblicke

Selbstversorgende tragbare und implantierbare elektronische Geräte sind essenziell, besonders seit der Entwicklung der Internet-of-Things (IoT) Technologie. Da der triboelektrische Effekt eines der am häufigsten erlebten Phänomene im Alltag ist, sind triboelektrische Geräte ein vielversprechender Energieernter für selbstversorgende tragbare Geräte, kombiniert mit anderen Arten von Anwendungen. In der Entwicklung der IoT-Industrie erfordern elektronische Geräte Miniaturisierung und Multifunktionalität, was hohe Ausgangsleistungen benötigt. Obwohl triboelektrische Geräte mit hohen Ausgangsleistungen durch Gerätestrukturen mit kombinierten Arbeitsmodi entwickelt wurden [63,64,65], ist es notwendig, die Ausgangsleistung für mehrere Geräte zu verbessern.

Bisher war die Forschung auf die Entwicklung triboelektrischer Paarmaterialien (normalerweise negative triboelektrische Materialien) fokussiert, während dielektrische Tribo-Materialien selten untersucht wurden. Da dielektrische Materialien das Potenzial haben, triboelektrische Leistungen gemäß der Beziehung zwischen Oberflächenladungsdichte und Dielektrizitätskonstante zu verbessern, ermöglicht die Erfindung triboelektrischer Materialien basierend auf verschiedenen Polarisationmechanismen die Entwicklung hochleistungsfähiger tragbarer Geräte, was wie folgt erreicht werden kann:

1. Weil eine Vielzahl von hoch-k dielektrischen Materialien durch Kontrolle des strukturellen Faktors [66] oder chemisches Dotieren [67, 68] synthetisiert wurden, gibt es mehrere Kandidaten, um die Dielektrizitätskonstante von Polymerekompositen zu erhöhen. Zudem wurden die Oberflächenmodifikation dielektrischer Nanomaterialien für homogene Dispersion in der Polymermatrix [69, 70] und die Kontrolle der dielektrischen Struktur (z. B. heterostrukturierte Mehrschicht-Komposite [30, 31, 71, 72] oder dielektrische Komposite mit ausgerichteten leitenden Materialien [73, 74]) untersucht, um die dielektrischen Eigenschaften zu erhöhen. Allerdings wurden wenige Ansätze in triboelektrischen Geräten genutzt, um die Ausgangsleistung zu verbessern. Die hohe Kompatibilität oder Ausrichtung von Additiven in der Polymermatrix wird eine Erhöhung der Grenzflächenfläche oder Reduktion des Leckstroms ermöglichen, was zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante und der resultierenden Ausgangsleistung führt.

2. Zusätzlich zu dielektrischen Polymernanokompositen kann die Modifikation von Polymerkettenstrukturen die dielektrischen Eigenschaften verbessern wegen der dipolaren Polarisation durch verbesserte Dipolmomente. Bisher wurden polymere Materialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten durch Graften polarisierbarer Komponenten [58, 60] oder durch Engineering von Nanostrukturen [61, 62, 75, 76] synthetisiert, was die Dielektrizitätskonstante durch dipolare Polarisation erhöht. Polymerbasierte dielektrische Materialien sind gute Kandidaten für die Verwendung als triboelektrische Materialien wegen ihrer physikalischen Eigenschaften wie Flexibilität und Lösungsprozessierbarkeit, was die Entwicklung druckbarer triboelektrischer Geräte für nächste Generation tragbarer Anwendungen erleichtert.

3. Zusätzlich zur dielektrischen Polarisation kann ein elektrisches Poling-Verfahren, das Dipol-Neujustierung unter einem starken elektrischen Feld induzieren kann, ein weiterer Ansatz sein, um die Dielektrizitätskonstante zu verbessern, was anschließend die Verbesserung triboelektrischer Leistungen ermöglicht [77,78,79,80]. Kürzlich wurden Selbst-Poling-Methoden angewendet, um ferroelektrische Eigenschaften durch scherinduzierte Prozesse [81] in piezoelektrischen Generatoren erheblich zu verbessern, obwohl die Ausgangsleistung niedriger bleibt als die von triboelektrischen Generatoren. Der Mechanismus, kombiniert mit dielektrischer Polarisation und Selbst-Poling in dielektrischen Kompositen, kann ein synergistischer Effekt sein, um die Dielektrizitätskonstante signifikant zu verbessern, was zu einer bemerkenswerten Verbesserung triboelektrischer Leistungen führt.

4. Die meisten Studien haben sich auf negative triboelektrische Materialien konzentriert. Da triboelektrische Leistung aus der Kontaktelektrifizierung zwischen positiven und negativen triboelektrischen Schichten entsteht, sind positive triboelektrische Materialien ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Ausgangsleistungen. Polarisation-induzierte triboelektrische Paarmaterialien können die Entwicklung triboelektrischer Geräte mit signifikant verbesserten Ausgangsleistungen fördern, was praktische Anwendungen erleichtert, die hohe Ausgangsleistung erfordern, wie intelligente tragbare Geräte und tragbare IoT-Geräte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht anwendbar.

Abkürzungen

EDL:

Elektrische Doppelschicht

PDMS:

Polydimethylsiloxan

PET:

Polyethylenterephthalat

PtBA:

Poly(tert-butylacrylat)

PTF:

Poly(2,2,2-trifluorethylmethacrylat)

PVA:

Poly(vinylalkohol)

PVDF:

Polyvinylidenfluorid

SPE:

Fester Polymerelektrolyt