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Dispositifs triboélectriques hautes performances via la polarisation diélectrique :un examen

Résumé

Les dispositifs de récupération d'énergie basés sur l'effet triboélectrique ont attiré une grande attention en raison de leurs performances de sortie supérieures à celles d'autres nanogénérateurs, qui ont été utilisés dans diverses applications portables. Sur la base du mécanisme de travail, les performances triboélectriques sont principalement proportionnelles à la densité de charge de surface des matériaux triboélectriques. Diverses approches, telles que la modification du groupe fonctionnel de surface et de la composition diélectrique des matériaux triboélectriques, ont été utilisées pour améliorer la densité de charge de surface, conduisant à des améliorations des performances triboélectriques. Notamment, le réglage des propriétés diélectriques des matériaux triboélectriques peut augmenter considérablement la densité de charge de surface car la charge de surface est proportionnelle à la permittivité relative du matériau triboélectrique. La constante diélectrique relative est modifiée par la polarisation diélectrique, telle que la polarisation électronique, vibrationnelle (ou atomique), d'orientation (ou dipolaire), ionique et interfaciale. Par conséquent, une telle polarisation représente un facteur critique pour améliorer la constante diélectrique et les performances triboélectriques qui en résultent. Dans cette revue, nous résumons les informations récentes sur l'amélioration des performances triboélectriques via une polarisation diélectrique améliorée.

Introduction

Les dispositifs piézoélectriques, pyroélectriques et triboélectriques ont attiré une grande attention en tant que dispositifs de récupération d'énergie pour la production d'électricité à partir des environnements environnants, tels que l'eau, le vent, la lumière, la température et les vibrations [1]. En plus des sources d'alimentation, ces appareils peuvent être utilisés comme capteurs auto-alimentés pour diverses applications telles que les peaux électroniques, les appareils de surveillance des soins de santé et la robotique [2]. Parmi eux, les dispositifs triboélectriques affichent des performances de sortie relativement plus élevées lorsqu'un couple de matériaux triboélectriques est mis en contact [3,4,5,6]. Les signaux triboélectriques produits peuvent être utilisés pour faire fonctionner directement des appareils électriques [7,8,9,10,11] ou surveiller les stimuli mécaniques ou chimiques sur les appareils [4]. Les dispositifs triboélectriques peuvent être simplement conçus pour une fabrication simple, un faible coût, d'excellentes performances de sortie et une flexibilité par rapport à d'autres technologies, qui sont avantageuses pour les applications portables auto-alimentées [12].

La triboélectricité se produit en raison de l'électrification des contacts et de l'induction électrostatique entre des matériaux triboélectriques dissemblables. Le contact mécanique induit les charges opposées compensées sur chaque couche triboélectrique en raison de l'électrification du contact, et la séparation mécanique entraîne le passage du courant à travers le circuit externe en raison de l'induction électrostatique. Par conséquent, les performances de sortie triboélectriques sont directement affectées par les charges de surface sur les couches triboélectriques.

Pour des performances de sortie triboélectrique élevées, une génération efficace de charge de surface pendant l'électrification de contact et un transfert de charge efficace pendant l'induction électrostatique sont nécessaires. Par conséquent, il est crucial de sélectionner des matériaux de paires de contacts triboélectriques appropriés et de concevoir des structures de dispositifs optimales. Sur la base de leur mécanisme de fonctionnement, quatre types différents de dispositifs triboélectriques constitués de matériaux diélectriques en tant que couches triboélectriques ont été rapportés [5]. Il existe deux catégories de dispositifs triboélectriques en fonction des types de matériaux de paires de contacts triboélectriques :les dispositifs à mode de contact diélectrique à diélectrique et conducteur à diélectrique (Fig. 1a) [13]. Dans le premier, deux plaques diélectriques, d'épaisseurs d 1 et d 2 , ainsi que les constantes diélectriques relatives ε r,1 et ε r,2 , respectivement, sont empilées face à face sous forme de couches triboélectriques, et les couches d'électrodes sont déposées sur la surface diélectrique externe. La distance (x ) entre les deux couches triboélectriques varie sous une force mécanique périodique.

Dispositif triboélectrique à base diélectrique et polarisation diélectrique :a Modèles théoriques pour les modes de contact à plaques parallèles et schéma de circuit équivalent pour TENG diélectrique à diélectrique et conducteur à diélectrique (reproduit à partir de la référence [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). b Réel (ε ') et partie imaginaire (ε ") de la constante diélectrique en fonction de la fréquence dans un polymère ayant des mécanismes de polarisation interfaciale, orientationnelle, ionique et électronique (Reproduit avec la permission de Réf. [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Par la suite, les surfaces des couches triboélectriques contactées ont des charges de surface opposées mais la même densité (σ ) par électrification par contact. Lorsque les couches triboélectriques commencent à se séparer en raison de la distance croissante, une différence de potentiel (V ) est induite entre les deux électrodes par les quantités de charges positives/négatives transférées (+Q /–Q ). De même, dans le mode de contact conducteur-diélectrique sans la couche diélectrique 1, le métal 1 est utilisé à la fois comme couche triboélectrique supérieure et comme électrode supérieure. Dans cette structure de dispositif, il y a deux parties de charges dans le métal 1 :les charges triboélectriques (\(S \times \sigma\)) et les charges transférées entre les deux électrodes (–Q ), conduisant ainsi à (\(S\sigma - Q\)) des charges totales dans le métal 1. Compte tenu des dispositifs triboélectriques en mode de contact mentionnés ci-dessus, les performances de sortie peuvent être dérivées sur la base de l'électrodynamique comme suit [13] :

$$V =- \frac{Q}{{S\varepsilon_{0} }}\left( {d_{0} + x\left( t \right)} \right) + \frac{\sigma x\left ( t \right)}{{\varepsilon_{0} }}$$ (1) $$\begin{aligned}&V_{{{\text{OC}}}} =\frac{\sigma \cdot x\left ( t \right)}{{\varepsilon_{0} }},\quad { }I_{{{\text{SC}}}} =\frac{{{\text{d}}Q_{SC} }} {{{\text{d}}t}},\\&{ }Q_{{{\text{SC}}}} =\frac{S\sigma x\left( t \right)}{{d_{ 0} + x\left( t \right)}},\quad { }d_{0} =\mathop \sum \limits_{i =1}^{n} \frac{{d_{i} }}{{ \varepsilon_{r,i} }}{ }\end{aligned}$$ (2)

L'épaisseur diélectrique effective d 0 est défini comme la somme de toutes les épaisseurs de diélectrique d i divisé par sa permittivité relative ε r,i . Basé sur l'éq. 2, les performances triboélectriques sont directement affectées par la densité de charge de surface (\(\sigma\)) des couches diélectriques.

Auparavant, il a été rapporté que la modification de surface des matériaux triboélectriques ou l'introduction de matériaux hautement diélectriques augmentait la densité de charge de surface. La modification de surface, telle que le contrôle de la morphologie de la surface [14,15,16,17] ou l'introduction d'ions chargés [18,19,20,21], augmente la densité de charge de surface en agrandissant la surface ou la polarité triboélectrique entre le paire de couches. En plus de régler la propriété de surface, une augmentation de la constante diélectrique peut améliorer la capacité de la couche diélectrique, entraînant ainsi une augmentation de la densité de charge de surface [6, 22, 23]. Dans un modèle de condensateur à plaques parallèles, la densité de charge de surface peut être liée à la capacité de la couche diélectrique comme suit [23,24,25] :

$$\sigma=\frac{CV}S,\quad C=\frac{S\varepsilon\varepsilon_0}d$$ (3)

C et S indiquer respectivement la capacité et la zone de contact. De l'éq. 3, puisque la capacité (C ), qui est un facteur susceptible d'améliorer la densité de charge surfacique dans un dispositif triboélectrique à mode de contact diélectrique [6], augmente avec la constante diélectrique et/ou la diminution de l'épaisseur de la couche diélectrique, la densité de charge surfacique est directement proportionnelle à le rapport de la constante diélectrique à l'épaisseur (ε /d ). De même, dans le dispositif triboélectrique, la capacité de la couche tribo-diélectrique peut être exprimée à partir de l'Eq. 2 comme :

$$C=\frac{Q_\text{SC}}{V_\text{OC}}=\frac{\varepsilon_0S}{d_0+x\left(t\right)}$$ (4)

Par exemple, l'utilisation d'une couche diélectrique poreuse dans un dispositif triboélectrique est un moyen efficace d'améliorer considérablement le ε/d rapport en augmentant simultanément la constante diélectrique et en diminuant l'épaisseur lorsque la couche diélectrique est pressée sous pression externe, augmentant ainsi considérablement la densité de charge de surface [17, 23, 26, 27] même lorsque les mêmes couches triboélectriques sont utilisées. Par conséquent, la constante diélectrique de la couche triboélectrique est un facteur efficace pour améliorer la densité de charge de surface mieux que le potentiel de surface déterminé par la sélection de matériaux de paire triboélectrique.

Bien que la constante diélectrique d'un matériau triboélectrique soit un facteur important dans l'amélioration des performances triboélectriques, il n'y a pas eu de discussions approfondies sur les principes et stratégies pour augmenter la constante diélectrique. Auparavant, plusieurs excellentes revues sur les dispositifs triboélectriques, y compris les matériaux triboélectriques et leurs mécanismes de fonctionnement, avaient été rapportées [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29] ; cependant, seules quelques études sur les dispositifs triboélectriques induits par un diélectrique ont été rapportées à ce jour. Ici, nous présentons les bases de la polarisation diélectrique et démontrons que les performances de sortie des dispositifs triboélectriques peuvent être considérablement contrôlées et améliorées par la conception de matériaux diélectriques à polarisation diélectrique contrôlée.

Polarisation diélectrique pour des performances triboélectriques améliorées

La constante diélectrique (ou permittivité relative) est définie comme un facteur par lequel le champ électrique appliqué est diminué par la polarisation diélectrique des matériaux, qui peut être améliorée par l'ingénierie des matériaux diélectriques par l'introduction d'additifs diélectriques ou la modification des structures chimiques, conduisant ainsi à divers phénomènes diélectriques. La polarisation diélectrique peut être divisée en polarisation électronique, vibrationnelle (ou atomique), orientationnelle (ou dipolaire), ionique et interfaciale (Fig. 1b) [30,31,32,33]. Les polarisations électroniques et atomiques sont induites par la distorsion des électrons négatifs et des noyaux positifs dans un atome dans une direction opposée au champ électrique externe, acquérant ainsi des moments dipolaires électriques, qui se produisent dans le régime de résonance au-dessus des fréquences infrarouges (> 100 GHz). Comme les matériaux à base de polarisation, tels que les semi-conducteurs, n'ont pas de perte diélectrique en dessous de 1 GHz, ils sont les plus recherchés pour des applications pratiques allant de quelques Hz à 1 GHz. Cependant, la plupart des polymères organiques présentent des constantes diélectriques plus faibles (< 10) que les matériaux semi-conducteurs en raison de la nature intrinsèque de leur liaison moléculaire, qui ne peut induire de polarisation électronique et atomique. Pour induire davantage de polarisations électroniques et atomiques dans les polymères, les structures des chaînes polymères doivent impliquer des atomes plus gros avec des électrons polarisables, tels que Si, Ge ou Sn, que les compositions polymères de base [34,35,36]. Bien que les polymères à base de Si, tels que les polysiloxanes ou leurs dérivés, soient synthétisés, la constante diélectrique n'est pas supérieure à 3-4. Par conséquent, il est difficile d'augmenter la polarisation électronique/atomique dans les polymères isolants.

Dans les polymères, alors que les polarisations électroniques et atomiques sont limitées à l'amélioration de la constante diélectrique en raison de la structure de liaison moléculaire intrinsèque, les autres polarisations dipolaires, ioniques et interfaciales peuvent être utilisées pour améliorer la constante diélectrique. La polarisation dipolaire (d'orientation) est causée par la réorientation des moments dipolaires moléculaires permanents dans les polymères ou les nanocomposites, y compris les nanoparticules ou les fragments dipolaires, qui est affectée par les structures de phase (amorphe ou cristallin), la température et la fréquence (généralement < 10 MHz) [ 32, 33]. La modification des structures dipolaires permet la préparation de verres dipolaires, de polymères ferroélectriques et ferroélectriques relaxeurs [30]. Par exemple, l'orientation dipolaire des dérivés du fluorure de polyvinylidène (PVDF) conduit à la formation d'un β -phase, augmentant ainsi la constante diélectrique, ce qui améliore les performances triboélectriques [37, 38]. La polarisation ionique peut être causée par des déplacements relatifs entre des ions chargés positivement et négativement sous une force externe [30, 39]. Par conséquent, des polymères avec des composants ioniques peuvent être utilisés pour améliorer les performances capacitives grâce à la polarisation ionique. Par exemple, les composants ioniques (par exemple, NaCl et LiCl) dans les hydrogels sont polarisés sous un champ externe, conduisant à la formation de doubles couches électriques, ce qui entraîne une amélioration des performances triboélectriques [40,41,42,43]. La polarisation interfaciale est induite par la réorganisation des charges d'espace aux interfaces dans les composites diélectriques [30, 31]. Par conséquent, la polarisation interfaciale est observable dans tous les systèmes diélectriques multicomposants, y compris les polymères semi-cristallins, les mélanges de polymères ou les nanocomposites à k élevé. - ou des nanocharges conductrices. Récemment, des nanocomposites polymères à k élevé des nanoparticules, qui améliorent la constante diélectrique nette, conduisant ainsi à l'amélioration de la densité de charge de surface, et donc des performances triboélectriques, ont été utilisées dans des dispositifs triboélectriques [23, 44, 45]. Dans les sections suivantes, nous présentons quelques exemples pour démontrer l'amélioration des performances de sortie triboélectrique grâce à une augmentation de la constante diélectrique.

Polarisation interfaciale dans les composites nanoparticules/polymères à haute permittivité

Des nanoparticules à haute permittivité sont utilisées pour améliorer les constantes diélectriques des nanocomposites polymères en raison de la polarisation à l'interface entre le polymère et les nanoparticules. Parce que inorganique (par exemple, le titanate de baryum (BaTiO3 ) nanoparticules et nanofils) ou conducteurs (p. performances triboélectriques. Chen et al. préparé un film de polydiméthylsiloxane (PDMS) semblable à une éponge, comprenant un haut-k nanoparticules (SiO2 , TiO2 , BaTiO3 , et SrTiO3 ), pour améliorer les performances triboélectriques (Fig. 2a) [23]. Parce que SrTiO3 présente une permittivité plus élevée que les autres, PDMS avec SrTiO3 affiche une constante diélectrique plus élevée. Cela peut également être causé par la polarisation de la charge d'espace à l'interface entre le PDMS et SrTiO3 particules. Notamment, les performances de sortie triboélectrique sont améliorées par l'augmentation de la capacité grâce à l'augmentation ε r /d PDMS pendant le processus de contact. En plus des nanoparticules diélectriques, différents types de matériaux à haute permittivité, tels que le BaTiO3 dopé à l'Al et CaCu3 Ti4 O12 , sont appliqués dans les couches triboélectriques, conduisant à une constante diélectrique améliorée et aux performances triboélectriques résultantes (Fig. 2b) [44, 45]. D'autre part, l'ajout de matériaux conducteurs permet la formation de structures de micro-condensateurs dans la matrice polymère, ce qui peut induire une accumulation de charges d'espace à l'interface entre la matrice polymère et les additifs. Ce type de polarisation interfaciale est causé par la plus grande différence de conductivité entre le polymère et les additifs conducteurs.

Performances triboélectriques améliorées par la polarisation interfaciale dans les composites nanoparticules/polymères à haute permittivité :a Nanogénérateur triboélectrique à base de composite PDMS à nanoparticules/éponges diélectriques (Reproduit avec la permission de Réf. [23]. Copyright 2016 American Chemical Society). b Nanogénérateur triboélectrique à mode de séparation de contact avec des films composites à particules diélectriques P(VDF-TrFE) et PDMS en tant que couches de friction (Reproduit à partir de la référence [45]. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

Par conséquent, les composites polymères avec des matériaux métalliques ou à base de carbone présentent des constantes diélectriques accrues par rapport aux polymères purs, ce qui entraîne une amélioration de la densité de charge de surface et des performances triboélectriques qui en résultent (Fig. 3) [6, 46]. Bien que les composites polymères à haute permittivité soient largement utilisés comme matériaux négatifs triboélectriques, il existe certaines limitations concernant l'amélioration des performances de sortie :(1) Il existe un rapport optimisé d'additifs dans la matrice polymère car des additifs excessifs provoquent un courant de fuite [46, 48] ou surface de friction réduite [23, 49], entraînant ainsi une diminution des performances de sortie. (2) Les additifs doivent être dispersés de manière homogène dans la matrice polymère pour améliorer la polarisation interfaciale car les nanoparticules agrégées interrompent la polarisation interfaciale par la réduction de la zone interfaciale entre le polymère et les nanoparticules.

Performances triboélectriques améliorées par la polarisation interfaciale dans les composites polymères avec des matériaux métalliques ou à base de carbone :a Nanogénérateur triboélectrique à base de composite GPs@PDMS (reproduit à partir de la référence [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). b Nanogénérateur triboélectrique à base d'inclusions de métal liquide avec empilements diélectriques en sandwich (Reproduit à partir de la référence [48]. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

Polarisation interfaciale dans les films polymères multicouches

Pour les composites nanoparticules/polymères en phase aléatoire, la polarisation interfaciale est difficile à contrôler car un contrôle précis de la quantité et de la dispersion des nanoparticules est nécessaire [30]. Dans les diélectriques multicouches, la polarisation interfaciale peut être facilement contrôlée car toutes les interfaces sont perpendiculaires au champ électrique, ce qui entraîne une accumulation uniforme de charge d'espace aux interfaces multicouches et une constante diélectrique améliorée. Les diélectriques polymères multicouches ont été largement étudiés pour améliorer leur constante diélectrique via une polarisation interfaciale entre des couches polymères dissemblables [50]. La polarisation interfaciale se produit lorsque les charges d'espace (électrons et ions) sont accumulées à l'interface entre deux matériaux dissemblables avec de grands contrastes de permittivité et de conductivité électrique sous un champ externe [30]. Kim et al. [51] et Feng et al. [52] ont démontré l'effet des films bicouches avec une plus grande différence de permittivité relative sur les performances de sortie triboélectrique (Fig. 4a,b). L'ajout de couches diélectriques inférieures entre la couche conductrice et l'électrode provoque un piégeage ou un stockage de charge dans le film diélectrique, conduisant ainsi à une densité de charge accrue. L'accumulation de charges pourrait être causée par la polarisation accrue à l'interface des films bicouches à cause de la grande différence de permittivité ou de conductivité entre le PVDF et les films isolants. D'autre part, notre groupe a démontré l'effet d'un film bicouche composé de polymères avec différentes unités de fluor et de couches isolantes en polyéthylène téréphtalate (PET) sur les performances de sortie (Fig. 4c) [53]. Notamment, les polymères fluorés avec trois unités fluor dans la chaîne latérale (poly(méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle), PTF) sont enduits sur des substrats en PET avec une constante diélectrique inférieure, augmentant ainsi la constante diélectrique, qui est causée par l'amélioration de polarisation interfaciale à l'interface entre le PTF semi-cristallin et le PET. Par conséquent, le PTF-PET présentait une performance triboélectrique plus élevée que les autres films polymères fluorés. Sur la base des résultats mentionnés ci-dessus, les films multicouches diélectriques hétérogènes peuvent être une conception robuste pour améliorer les performances triboélectriques des dispositifs flexibles ou portables.

Performances triboélectriques améliorées par la polarisation interfaciale dans les films polymères multicouches :a Nanogénérateur triboélectrique composé d'une double couche PVDF/PDMS et d'une double couche Nylon 6/PDMS avec différentes épaisseurs d'intercalaire PDMS (Adapté de la Réf. [51]. Copyright 2018 Elsevier). b Nanogénérateur triboélectrique sans et avec PI comme couche de transition pour le stockage de charges (Adapté de Réf. [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Nanogénérateur triboélectrique bicouche à base de polymères fluorés avec différents types d'unités fluor (Reproduit à partir de la référence [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarisation ionique dans les gels polymères ioniques

Dans la matrice polymère comprenant les composants ioniques à l'exception des ions d'impuretés, la polarisation ionique favorise la formation d'une double couche électrique (EDL) à l'interface entre l'électrolyte polymère et l'électrode, conduisant ainsi à l'amélioration de la constante diélectrique [30, 39, 54]. La polarisation est souvent utilisée dans les dispositifs de stockage d'énergie, tels que les condensateurs (par exemple, les supercondensateurs ou les condensateurs EDL) et les batteries [55]. Selon l'équation de Helmholtz, la capacité peut être exprimée sous la forme C ≈ kε 0 , où k , ε 0 , et λ sont respectivement la constante diélectrique effective de l'EDL, la permittivité du vide et la longueur de blindage de Debye (ou l'épaisseur de la double couche). Dans un dispositif triboélectrique, des composants ioniques, tels que des paires d'ions symétriques ou asymétriques et des liquides ioniques, dans des matériaux polymères sont souvent utilisés. Étant donné que le poly(alcool vinylique) (PVA) est un type de matériau triboélectrique négatif en raison des groupes hydroxyle dans le squelette du polymère, il peut interagir avec différents types de paires d'ions. Lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, une polarisation ionique peut se produire en raison des déplacements relatifs entre les ions positifs et négatifs, contribuant ainsi à la formation d'EDL à l'interface entre les couches triboélectriques. Ryû et al. [43] ont préparé des électrolytes polymères solides (SPE) à base de PVA avec des ions symétriques ou asymétriques en tant que couches triboélectriques positives ou négatives, respectivement (Fig. 5a). Après le processus de contact avec du PVA vierge, différents potentiels de surface ont été systématiquement mesurés par l'effet de différents types de dopage ionique. Par exemple, les SPE deviennent des matériaux triboélectriques négatifs ou positifs après l'ajout d'acide phosphorique (H3 Bon de commande4 ) avec plus de cations que d'anions ou de chlorure de calcium (CaCl2 ) avec plus d'anions que de cations, respectivement, car les cations ou les anions créent des états supplémentaires chargés d'électrons ou inoccupés. Dans la pratique, il est montré qu'un conducteur ionique composé de PVA avec une solution de borax ou de poly(acylamide) avec du chlorure de lithium est appliqué dans des applications de récupération d'énergie biomécanique et de détection tactile, ce qui améliore les performances triboélectriques grâce à la formation d'EDL (Fig. 5b) [41, 42, 56]. De même, Zou et al. [40] ont fabriqué un nanogénérateur bionique extensible constitué d'une solution d'élastomère Ecoflex et de chlorure de sodium (NaCl) inspirée de la structure des canaux ioniques sur la cytomembrane de l'électrolyte dans une anguille électrique. En combinant les effets de la triboélectrification via un liquide en écoulement et de l'induction électrostatique via des ions polarisés, l'appareil récupère l'énergie mécanique du mouvement humain sous-marin avec une tension en circuit ouvert supérieure à 10 V. De plus, Lee et al. [56] ont étudié les performances triboélectriques lorsqu'un nanogénérateur était connecté à une unité de gel ionique composée d'un liquide ionique et de poly(fluorure de vinylidène-co-hexafluoropropylène), créant un profil de tension large et lent en raison du temps de relaxation important des ions polarisés. (Fig. 5c). Les dispositifs triboélectriques à base de gel ionique permettent la fabrication de dispositifs portables ultra-extensibles, transparents et étanches, bien que les dispositifs doivent être encapsulés par la matrice élastomère pour empêcher les fuites d'ions.

Performances triboélectriques améliorées par polarisation ionique dans un gel polymère ionique :a Nanogénérateur triboélectrique SPE basé sur du PVA avec différents types d'ions (Reproduit avec la permission de Réf. [43]. Copyright 2017 Wiley–VCH). b Nanogénérateur triboélectrique doux semblable à une peau qui permet à la fois la récolte d'énergie biomécanique et la détection tactile en hybridant l'élastomère et l'hydrogel ionique (PAAm-LiCl) comme couche d'électrification et électrode, respectivement (Reproduit sous les termes de la licence CC-BY-NC 4.0. Réf [41]. Copyright 2017, Association américaine pour l'avancement des sciences). c Système triboélectrique-ion-gel, qui se compose du nanogénérateur triboélectrique et des unités de gel ionique (Reproduit à partir de la référence [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarisation dipolaire dans les dérivés ferroélectriques PVDF

La polarisation dipolaire (orientationnelle) est une autre stratégie pour améliorer la constante diélectrique avec une faible perte diélectrique, qui est causée par l'augmentation du moment dipolaire à travers les dipôles alignés dans les structures de phase des chaînes polymères. Des exemples typiques sont le PVDF et ses dérivés. Les polymères ont des moments dipolaires permanents depuis le β unidirectionnel -phase se forme, entraînant une augmentation de la constante diélectrique et des performances triboélectriques qui en résultent. Cheon et al. [37] ont démontré des nanogénérateurs triboélectriques hautes performances basés sur des nanofibres composites PVDF-nanofil d'argent (AgNW) (Fig. 6a). L'introduction d'AgNWs dans le PVDF augmente le ratio du β -phase à la α -phase à travers l'interaction entre les chaînes moléculaires AgNWs et PVDF, résultant ainsi en une constante diélectrique améliorée, qui permet le piégeage de charge au niveau de la couche diélectrique PVDF-AgNW. En plus des sources métalliques, Seung et al. [38] ont introduit des nanoparticules semi-conductrices (BaTiO3 ) dans une matrice de copolymère ferroélectrique (poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène), PVDF-TrFE) (Fig. 6b). La performance triboélectrique est considérablement améliorée après le processus de polarisation, qui est plus de 150 fois supérieure à celle des nanogénérateurs triboélectriques typiques à base de polytétrafluoréthylène. Contrairement aux composites polymères hétérogènes, notre groupe a récemment démontré l'effet des nanocomposites multicouches ferroélectriques sur les performances triboélectriques (Fig. 6c) [57]. Les films diélectriques multicouches constitués d'une alternance de PVDF-TrFE et de BaTiO3 les couches affichent une constante diélectrique (17,1) plus élevée que le film PVDF-TrFE pur (13,9) et le PVDF-TrFE/BaTiO3 simple nanocomposite (15.9) en raison de la polarisation interfaciale entre les couches de copolymère et de nanoparticules, comme expliqué dans la section sur le film diélectrique multicouche (Fig. 4). Séquentiellement, les performances de sortie triboélectrique augmentent par rapport aux films monocouches. Bien que les nanocomposites polymères ferroélectriques améliorent les performances de sortie triboélectrique en raison de l'augmentation de la constante diélectrique grâce à la polarisation ferroélectrique élevée, il existe une limitation à l'augmentation des performances de sortie en raison du seuil de percolation des additifs.

Performances triboélectriques améliorées par polarisation dipolaire dans les composites ferroélectriques PVDF :a Nanogénérateur triboélectrique basé sur le composite PVDF-AgNW et des nanofibres de nylon préparées par des méthodes d'électrofilage (Reproduit avec l'autorisation de Réf. [37]. Copyright 2018 Wiley-VCH). b Nanogénérateur triboélectrique à base de composite ferroélectrique (Reproduit avec la permission de Réf. [38]. Copyright 2017 Wiley–VCH). c Nanogénérateur triboélectrique multicouche à base de PVDF-TrFE/BTO (Reproduit avec l'autorisation de Réf. [57]. Copyright 2020 American Chemical Society)

D'autre part, le moment dipolaire peut être modifié en introduisant des molécules simples polaires [58], telles que –CN, –NO2 , et –SO2 –, ou des polymères polaires [59,60,61], dont le polystyrène, le poly(méthacrylate de 2-hydroxyéthyle), et le poly(dopamine méthacrylamide), qui permettent la rotation des dipôles dans le volume libre des polymères, conduisant ainsi à une amélioration de la constante diélectrique. La polarisation dipolaire a été récemment utilisée pour augmenter la constante diélectrique des matériaux triboélectriques en attachant des groupes polaires avec de grands moments dipolaires à la chaîne latérale des polymères [22]; Lee et al. ont démontré que le copolymère PVDF-greffon augmentait remarquablement les performances de sortie triboélectrique (Fig. 7). Du poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) avec différents rapports de greffage a été introduit dans la chaîne PVDF, conduisant à un moment dipolaire amélioré par la liaison et des groupes esters polaires dans le PtBA, ce qui a amélioré la constante diélectrique et par la suite la performance de sortie triboélectrique. En plus du polymère de greffage, les diélectriques polymères à domaines nanostructurés augmentent la constante diélectrique par polarisabilité orientationnelle dipolaire [62]. Although polymer-based dielectric materials have some advantages, such as solution processability and flexibility, few studies wherein such a polarization in triboelectric devices is employed have been reported so far.

Triboelectric performances enhanced by dipolar polarization in PVDF-graft copolymer:PVDF-grafting polymer-based triboelectric nanogenerator. un Dipole moments of bare PVDF and PVDF-g -PtBA and b their dielectric properties and triboelectric performances (Reproduced under the terms of the CC-BY-NC 4.0 license. Ref. [22]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science)

Conclusions and Outlooks

Self-powered wearable and implantable electronic devices are essential, especially since the development of Internet-of-Things (IoT) technology. Since the triboelectric effect is one of the most frequently experienced phenomena in everyday life, triboelectric devices are a promising energy harvester for self-powered wearable devices combined with other types of applications. In the development of the IoT industry, electronic devices require miniaturization and multifunctionality, which need high output performances. Although triboelectric devices with high output performances have been developed by employing device structures with combined working modes [63,64,65], it is necessary to enhance the output performance for multiple devices.

Until now, research has been focused on the development of triboelectric pair materials (usually negative triboelectric materials), whereas dielectric tribo-materials have rarely been investigated. As dielectric materials have the potential to enhance triboelectric performances according to the relationship between the surface charge density and dielectric constant, the invention of triboelectric materials based on various polarization mechanisms enables the development of high-powered wearable devices, which can be achieved as follows:

  1. 1.

    Because a variety of high-k dielectric materials have been synthesized by controlling the structural factor [66] or chemical doping [67, 68], there are several candidates to increase the dielectric constant of polymer composites. Moreover, the surface modification of dielectric nanomaterials for homogeneous dispersion in the polymer matrix [69, 70] and the control of the dielectric structure (e.g., heterostructured multilayer composites [30, 31, 71, 72] or dielectric composites with aligned conductive materials [73, 74]) have been investigated to increase dielectric properties. However, few approaches have been utilized in triboelectric devices to enhance the output performance. The high compatibility or alignment of additives in the polymer matrix will enable an increase in the interfacial area or reduce the leakage current, which leads to the enhancement of the dielectric constant and the resultant output performance.

  2. 2.

    In addition to dielectric polymer nanocomposites, modifying polymer chain structures can enhance the dielectric properties because of the dipolar polarization through the improved dipole moments. Until now, polymeric materials with high dielectric constants have been synthesized by grafting polarizable components [58, 60] or by engineering nanostructures [61, 62, 75, 76], which increases the dielectric constant by dipolar polarization. Polymer-based dielectric materials are good candidates for use as triboelectric materials because of their physical properties, such as flexibility and solution-processability, which facilitate the development of printable triboelectric devices for next-generation wearable applications.

  3. 3.

    In addition to dielectric polarization, an electric poling process that can induce dipole realignment under a strong electric field can be another approach to improve the dielectric constant, which subsequently enables the enhancement of triboelectric performances [77,78,79,80]. Recently, self-poling methods have been applied to considerably improve ferroelectric properties via the shear-induced process [81] in piezoelectric generators, although the output performance remains lower than that of the triboelectric generators. The mechanism, combined with dielectric polarization and self-poling in dielectric composites, can be a synergistic effect to significantly improve the dielectric constant, leading to a remarkable enhancement of triboelectric performances.

  4. 4.

    Most studies have focused on negative triboelectric materials. Because triboelectric performance arises from the contact electrification between the positive and negative triboelectric layers, the positive triboelectric materials are an important factor toward enhancing output performances. Polarization-induced triboelectric pair materials can promote the development of triboelectric devices with significantly enhanced output performances, which facilitates practical applications requiring high-output power, such as smart wearable devices and portable IoT devices.

Disponibilité des données et des matériaux

Non applicable.

Abréviations

EDL:

Double couche électrique

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

PET :

Polyéthylène téréphtalate

PtBA:

Poly(tert-butyl acrylate)

PTF:

Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)

PVA :

Poly(vinyl alcohol)

PVDF :

Fluorure de polyvinylidène

SPE:

Solid polymer electrolyte


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