DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107289

高输出摩擦纳米发电机（TENGs）是可穿戴系统中化学电池的有效补充。然而，潮湿环境中摩擦材料的电荷耗散仍然是影响稳定能量供应的一大挑战。在此，研究者提出了一种非对称介电常数操纵策略，以同时提高TENG的输出性能和耐湿性。静电纺丝双层聚己内酯（PCL）纳米纤维（BPF）是一种高效的正摩擦材料，由介电常数差异很大的外部PCL和内部PCL/CNTs纳米纤维组成。得益于双层电介质中摩擦面积的增加和双界面极化，BPF-TENG的转移电荷比基于PCL凝胶薄膜的器件增加了740%，在1Hz时达到210nC。值得注意的是，高速摄像系统验证了水接触角为125度的多孔疏水PCL纳米纤维可以有效减少水滴在材料表面的积累，有助于在20%至80%的相对湿度下实现稳定输出。优化的BPF-TENG在80%湿度下产生了2.24kV的高峰间电压和54W/m2的功率密度。此外，通过收集生物力学能量，可以将1000µF电容器充电至3V，并能够在潮湿天气条件下持续驱动电子设备工作。总体而言，该策略可以扩展到各种商业化摩擦带负电荷的聚合物，并实现高产量耐湿TENG的大规模工业制造。

图1.（a）BPF-TENG的结构图。（b）BPF垫的制备，（c）照片和（d）界面结构。（e）PCL分子结构。（f）纳米级碳纳米管微珠通过静电吸引附着在粗糙橡胶电极表面上的示意图。（g-h）Ecoflex薄膜的SEM图像和水接触角。（i-j）PPF垫的SEM图像和水接触角。（k）PCF垫的SEM图像。（l）CNT珠的SEM图像。

图2.（a）BPF-TENG机理。（b）双界面极化图。（c）四种不同TENGs的转移电荷和（d）输出电压。（e）四种TENGs在高湿度下的电压保持率。

图3.（a）具有不同CNT含量的PCF垫的ATR-IR光谱、（b）XRD光谱、（c）平均纤维直径和（d）介电常数。（e）PCF垫的介电常数增强机理。（f-h）具有不同CNT含量的BPF-TENG的输出性能。

图4.（a）不同厚度比的BPF-TENG的Qsc和（b）输出电压。（c）PCF和BPF基TENGs之间转移电荷的比较。（d-f）PPF、PCF和BPF垫的介电模型。（g）不同厚度比的BPF垫的WCA。（h）不同厚度比的TENGs在20%RH和70%RH下的输出电压比较。（i-k）最佳BPF-TENG在不同频率和作用力下的输出电压和Qsc。

图5.（a）用于监测水膜形成的高速摄像机。（b）铝带和（c）BPF垫在水蒸气喷涂后的照片。（d）Al基TENG和（e）BPF-TENG在不同湿度下的输出电压。（f）不同湿度下输出保持率的比较。（g-h）基于Al和BPF的TENG的湿度恢复测试。（i）BPF-TENG的环境耐久性。

图6.雨天的生物力学能量采集（室内80%RH）。BPF-TENG在（a）手掌拍打、（b）肘部摆动、（c）膝盖弯曲和（d）脚踩下的输出电压和电流。（e-f）功率密度以及与最近报道的耐湿TENGs的比较。（g）BPF-TENG在不同人体运动下的充电曲线。

图7.智能安全户外运动示范。（a）多通道整流电路。（b）不同电容器的充电曲线。BPF-TENG阵列为（c）湿度计、（d）手表、（e）计步器和（f）电子体温计供电。（g）图案化的LED阵列在不同湿度下被点亮。