基于单片集成离子凝胶的可拉伸摩擦纳米发电机：用于可变形能量收集与自供能传感

《npj Flexible Electronics》：Monolithically integrated ionic triboelectric nanogenerators for deformable energy harvesting and self powered sensing

本研究针对传统可拉伸摩擦纳米发电机（TENG）在形变下性能不稳定、介电层/电极界面易剥离等问题，开发了一种基于离子凝胶的单片集成可拉伸离子摩擦纳米发电机（S-iTENG）。该器件以亲水性离子凝胶同时作为电荷产生层、电荷捕获层和弹性基底，通过直接喷涂银纳米线（AgNWs）形成稳固界面，实现了~195%的拉伸率、~109.8 mW·m-2的功率密度及在80%应变下的稳定输出。研究成功将其应用于自供能人体运动传感平台，为下一代可穿戴电子设备提供了高性能能源解决方案。

　　

随着智能手表、健康监测贴片等可穿戴电子设备的快速发展，如何为其提供持续稳定的能源供应已成为制约行业发展的核心难题。传统电池存在刚性体积大、需频繁充电等问题，而利用人体运动等环境机械能发电的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）被视为理想替代方案。然而，多数TENG采用硬质材料组装，在人体关节等频繁形变部位易出现界面剥离、性能衰减甚至结构损坏。更关键的是，现有可拉伸TENG往往通过复杂图案化工艺（如蛇形金属电路）或依赖外衬基底实现形变能力，不仅工艺繁琐，还牺牲了器件的轻薄性与机械鲁棒性。如何构建兼具高拉伸性、稳定输出和简易结构的本征可拉伸TENG，是当前领域面临的重要挑战。

针对这一难题，韩国科学技术院（KAIST）的Hong Chul Moon团队提出了一种革命性的解决方案：基于离子凝胶的单片集成可拉伸离子摩擦纳米发电机（S-iTENG）。该研究创新性地利用离子凝胶同时充当电荷产生层、电荷捕获层和弹性基底，并通过直接喷涂银纳米线（AgNWs）电极形成 monolithic（单片）结构，大幅简化了器件构型。相关成果发表于《npj Flexible Electronics》，为可穿戴能源技术开辟了新路径。

研究团队通过亲水性离子凝胶组分设计、AgNWs喷涂工艺优化、电化学特性调控等关键技术手段，系统提升了器件的机械与电学性能。离子凝胶以聚（羟乙基丙烯酸酯）（PHEA）和1-乙基-3-甲基咪唑双氰胺盐（[EMI][DCA]）为基体，其亲水特性（水接触角~33.5°）显著改善了AgNWs的润湿性与界面粘附力。通过调控离子液体（IL）含量（10–50 wt%）和AgNWs喷涂次数（5–25次），平衡了导电性、拉伸性和输出性能的权衡关系。

结构设计与单片集成

S-iTENG由ITO/PET薄膜、离子凝胶和AgNWs层构成，其中离子凝胶兼具基底、电荷产生与捕获三重功能。AgNWs直接喷涂于自支撑离子凝胶表面，形成牢固的氢键界面，避免了传统等离子处理的时效性问题。该结构在195%拉伸率下仍保持完整性，微裂纹形成时AgNWs网络仍维持导电通路稳定性。

工作机制与应用场景

器件基于接触分离式单电极模式工作：当PET（ tribo-positive）与离子凝胶接触时，表面发生摩擦起电；分离时离子凝胶内[EMI]⁺和[DCA]^-迁移形成双电层（EDL），抑制电荷复合；再次接触时离子复位，外电路产生电流。该设计可直接贴附于皮肤，利用皮肤与离子凝胶的摩擦发电，实现自供能运动传感。

AgNWs涂层优化与界面相容性

相较于疏水性PDMS（接触角~93.6°）和SBS（~79.3°），离子凝胶表面AgNWs分布均匀且连续，经剥离测试后电阻变化率远低于对照组。IL含量（0–40 wt%）对AgNWs涂层电导率无显著影响，但喷涂次数增至20次时，方阻降至~7–8 Ω·sq^-1，同时机械拉伸性未明显劣化。

电化学特性与输出性能优化

离子凝胶的离子电导率与电容随IL含量增加而上升，但40 wt% IL时输出性能最佳（V_OC ~94 V），过量IL（50 wt%）会导致电荷泄漏。器件输出与接触面积（1–5 cm²）和频率（1–5 Hz）正相关，最大功率密度达109.8 mW·m^-2（负载10⁷ Ω），转换效率48%。经1000次循环测试，电压输出稳定性优异。

机械鲁棒性与拉伸发电性能

40 wt% IL的离子凝胶拉伸率~389%，韧性~0.33 MJ·m^-3。集成AgNWs后整体拉伸率~195%，80%应变下方阻仅升至~108 Ω·sq^-1。应变至20%时V_OC因接触面积增大而升高，后续下降归因于AgNWs电阻增加。器件在0–80%应变下均可点亮20枚LED。

自供能运动传感应用

S-iTENG贴附于指关节、腕、踝、肘、膝等部位时，可实时输出特定电压信号（如膝关节弯曲时V_OC最高）。不同关节的形变程度差异（指关节~15%，膝关节~40%）直接反映为电压幅度变化，实现了无需外源供电的高精度运动监测。

该研究通过单片集成策略成功解决了可拉伸TENG的界面稳定性与结构复杂性矛盾。S-iTENG不仅作为高性能可变形能源器件，更成为自供能传感系统的核心组件，其亲水界面设计、离子调控机制与 monolithic 结构理念为柔性电子领域提供了普适性技术范式。未来通过进一步优化材料体系与集成工艺，此类器件有望在智能医疗、人机交互等领域发挥更大价值。