基于抗冻导电聚乙烯醇水凝胶电极的摩擦纳米发电机及在自供电可穿戴应用的研究.pdf

摘要

作为新型能源收集装置，摩擦纳米发电机（TENG）具有转换效率高、成本低和环

境友好等优势，在柔性可穿戴领域受到广泛关注。在常用的TENG柔性电极（石墨烯、

碳纳米管、液态金属、水凝胶等）中，水凝胶因柔韧性好、成本低和生物相容性好等优

势而备受青睐。在众多水凝胶中，聚乙烯醇（PVA）水凝胶因拉伸性强、韧性出色常用

作基底材料。但PVA水凝胶中的水分子在零下温度会发生有序排列而结冰，导致导电

性降低，限制其在柔性可穿戴领域的应用。基于此，本论文以改善PVA水凝胶抗冻性和

导电性为出发点，通过引入甘油（Gly）和氯化锂（LiCl）降低水凝胶中水溶液冰点，改

善抗冻性；添加银纳米线（AgNWs）、LiCl和壳聚糖（CS）增加水凝胶中电子/离子浓

度，改善水凝胶导电性。以此构建抗冻、导电PVA水凝胶，开发PVA水凝胶基TENG

（PVA-TENG）应用于人体运动监测。主要研究内容如下：

（1）通过引入Gly/AgNWs，采用化学交联方式合成抗冻、导电的PVA/Gly/AgNWs

水凝胶（PGA-水凝胶）。Gly可与PVA水凝胶中水分子之间形成氢键，有效降低水凝胶

中水的冰点，增强水凝胶抗冻性（-24℃下电导率为2.009mS/cm）。AgNWs在水凝胶

内部相互连接形成导电通道，提升水凝胶导电性（电导率从3.170mS/cm提升至5.025

mS/cm）。以PGA-水凝胶为电极构建TENG（PGA-TENG），开路电压为200V，短路电

流为11μA，转移电荷为30nC，探索其作为可穿戴设备用于收集人体运动能量。

（2）AgNWs引入会降低PVA水凝胶透明度，限制其在可视化柔性可穿戴领域的

应用，故用LiCl代替AgNWs设计透明PVA/LiCl水凝胶（PL-水凝胶）。依据依数性原

+–

理，在保证PVA水凝胶抗冻基础上，通过电离的Li和Cl增大自由离子浓度，进一步

改善PVA水凝胶的导电性，电导率在20℃下增至36.360mS/cm，在-24℃下达28.570

mS/cm。以PL-水凝胶为电极构建TENG（PL-TENG），其开路电压为300V，短路电流

为29μA，转移电荷为49nC。PL-水凝胶在-24℃下预处理后，PL-TENG能够点亮100

个商用LED，为柔性可穿戴设备在能量收集领域做出有价值的探索。

（3）虽然上述PL-水凝胶抗冻和导电性得到有效提升，但其力学性能（拉伸强度为

0.06MPa，拉伸应变为380%）不能满足柔性可穿戴器件的需求，故引入CS设计三网络

结构PVA/LiCl/CS水凝胶（PC-水凝胶），CS的加入在保证PVA水凝胶透明和抗冻基础

上，可增强PC-水凝胶分子间作用力，改善水凝胶力学性能（拉伸强度为0.13MPa，拉

伸应变为711%）。同时CS在酸性溶液中解离的氨基为水凝胶提供正电荷，增强PC-水

凝胶导电性：在20℃下电导率增至42.863mS/cm，在-24℃下电导率达34.690mS/cm。

以PC-水凝胶为电极，构建TENG（PC-TENG）的开路电压为316V、短路电流为24μA、

转移电荷为58nC。以PC-TENG为基础的构建柔性可穿戴设备在-80℃下预处理16h开

路电压仍保持不变。

综上所述，通过引入Gly和LiCl降低水凝胶中水溶液冰点，改善水凝胶抗冻性；添

加AgNWs、LiCl和CS增加水凝胶中电子/离子浓度，改善水凝胶导电性，并以该水凝

胶为电极构建PVA-TENG应用于人体运动监测，为在低温环境下柔性可穿戴设备方面

的研究做出有价值的探索。

关键词：摩擦纳米发电机，抗冻水凝胶，导电水凝胶，柔性可穿戴电子设备

ABSTRACT

Triboelectricnanogenerator(TENG),asanovelenergyharvestingdevice,hasreceivedmoreand

moreattentioninflexibleandwearable