对齐离子传输设计的进步推动了高性能的湿度驱动能量收集及多方向传感技术的发展

《Science China-Materials》：Aligned ion transport design advances high-performance moisture-enabled energy harvesting and multidirectional sensing

湿度能收集器件ATMEG基于可拉伸TPU纳米纤维，通过离子通道定向排列实现高效能量转换，输出电压0.2V和电流密度0.51μA/cm2，较未对齐器件提升400%和287%，支持多方向应变传感及快速响应（0.16s/0.08s），适用于可穿戴电子。

　　

摘要

新兴的基于湿气的能量收集技术为自供电应变传感提供了一条有前景的途径，然而传统的发电机存在响应速度慢、恢复性能差以及多方向分辨率有限的问题。在这里，我们报道了一种具有高度有序离子通道的可拉伸热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维湿气驱动电发电机（MEG）。在TPU膜上涂覆了炭黑/十二烷基苯磺酸钠（CB/SDBS）层，同时在两侧分别施加了羧甲基纤维素（CMC）和酸化的聚（4-苯乙烯磺酸钠）（HPSS），从而建立了横向亲水性和离子梯度，以驱动离子定向迁移。这种平面结构的MEG重量轻、柔韧性好，且不需要完全覆盖电极，能够适应复杂的变形。有序的离子通道减少了离子迁移的迂回路径，提高了离子传输效率和通量。因此，在相对湿度约为90%的情况下，有序MEG（ATMEG）能够产生0.2伏特和0.51微安/平方厘米的电流输出，与无序MEG（UATMEG）相比分别提升了400%和287%。ATMEG还表现出超快的响应时间（0.16秒）和恢复时间（0.08秒）。利用其各向异性特性，开发了一种多方向自供电应变传感器，能够区分人体运动的幅度和方向，显示出在自适应可穿戴电子设备和智能运动监测方面的巨大潜力。