《AM》武汉理工大学陈文：水凝胶离子二极管用于获取超低频机械能

【摘要】

从人体运动中收集能量被认为是为便携式电子设备、生物医学设备和物联网智能对象供电的一种很有前途的协议。然而，最先进的机械能量收集设备通常以远远超出人类活动频率的频率 (>10 Hz) 运行。最近，武汉理工大学陈文教授，与宾夕法尼亚大学张圭贞（音：Chang Kyu Jeong）/王青（音：Qing Wang）教授团队共同提出了由水凝胶中阴离子和阳离子离聚物的层状结构形成的水凝胶离子二极管。正如有限元分析所证实的那样，水凝胶离子二极管的潜在机制涉及由可移动的阳离子和阴离子形成耗尽区，以及随后响应机械压力而增加耗尽区的内置电位。

由于嵌入的碳纳米管和银纳米线电极提高了离子整流率，水凝胶离子二极管在 0.01 Hz 时表现出 ≈5 mW cm-2 的功率密度和 ≈4 mC cm-2 的电荷密度，优于电流几个数量级的能量收集装置。展示了自供电水凝胶离子二极管在触觉传感、压力成像和触摸板中的应用，传感限制低至 0.01 kPa。这项工作有望为电子和能源设备中基于离子电流的离子电子学开辟新的机会。相关论文以题为Hydrogel Ionic Diodes toward Harvesting Ultralow-Frequency Mechanical Energy发表在《Advanced Materials》上。

【主图导读】

图1 a) 水凝胶离子二极管的示意图。b）自供电水凝胶装置（顶部）和模制水凝胶纳米复合材料的照片。c,d) 含有 PSSNa (c) 和 PDACl (d) 的水凝胶纳米复合材料的 SEM 图像。插图：离聚物结构。

图2 a) 在初始状态或应力减小和机械释放状态下，图示显示了离子二极管的电气行为和响应，包括电位图。b) 离子二极管中 Na+ 和 Cl- 的定量浓度分布，c) 空间电荷密度，以及 d,e) 在初始和释放状态下模拟的离子二极管内的电位梯度。f) 在外部机械应力下，带电路电荷流动的离子二极管的电状态原理。g) 离子二极管中 Na+ 和 Cl- 的浓度分布，h) 空间电荷密度，以及 i,j) 在应力状态下计算的离子二极管内的电位分布。

图3 a-c) 具有正向连接 (a) 的能量收集测量示意图，用于电位电压 (b) 和电流密度 (c) 信号。d-f) 使用反向连接 (d) 测量电位电压 (e) 和电流密度 (f) 信号。g) 作为 AgNWs 含量的函数的离子二极管的整流比。插图：无 CNT 与 AgNWs 含量的器件的整流比。h) 各种输入机械频率下的电压和电流性能。i) 离子二极管的耐久性测试，循环次数为 100 次，频率为 0.01 Hz。

图4 a,b) 之前报道的高输出低频机械能采集器与电流密度 (a) 和功率密度 (b) 的这项工作之间的比较。

图5 a) 在不同的外部压力下产生的电压和电流输出。b）缠绕在手臂上的自供电水凝胶触觉传感器阵列的照片。c）压力成像显示通过自供电水凝胶传感器阵列检测泡沫聚苯乙烯文本框。d）由外围计算机接口和电路（左面板）组成的自充电水凝胶触摸板示意图，在触摸板屏幕上拖动光标的静止图像（右面板）。

【总结】

团队开发了水凝胶离子二极管，由琼脂糖中的层状阳离子和阴离子离聚物组成，由 PTFE 膜隔开，其表现出类似于 p-n 半导体结的移动离子的熵消耗和整流行为。有限元计算证实了水凝胶离子二极管的潜在机制。嵌入的 CNT 和 AgNW 电极产生了出色的整流比，因此，出色的机械能收集性能在 0.01 Hz 时超过了当前机械能收集器的几个数量级。此外，整流水凝胶离子二极管在原型自供电设备中的应用也得到了证明。水凝胶离子二极管的概念，在材料选择和结构设计方面进一步优化，有望成为一种新的超低频高效能量收集形式，也可以应用于其他离子能源设备，包括燃料电池和电池。预计水凝胶电离电子学将使新型的基于离子电流的柔性和可穿戴设备成为可能，用于传感、软机器人、人机界面和能量收集。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202103056

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