Forscher unter der Leitung von Prof. Chen Tao vom Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben in Zusammenarbeit mit Forschern der Ningbo University ein neuartiges bruchfestes leitfähiges Hydrogel (BRC-Hydrogel) entwickelt. mit ausgezeichneter mechanischer Zuverlässigkeit, wodurch die Lebensdauer von triboelektrischen Nanogeneratoren (TENGs) verlängert wird. Diese Studie wurde im veröffentlicht Zeitschrift für Verfahrenstechnik.
TENGs profitieren von der einfachen Herstellung, den vielfältigen Strukturen, der stabilen Leistung und der hohen Energieumwandlungseffizienz und haben eine effektive Energieversorgung für den kontinuierlichen Betrieb des Internet of Things (loT)-Systems bereitgestellt. Unter ihnen zeigen hydrogelbasierte TENGs (H-TENGs) große Vorteile im Bereich flexibler tragbarer Geräte und energieautarker Anwendungen. Die schlechten mechanischen Eigenschaften der Hydrogel-Elektrode führen jedoch zu einer geringen mechanischen Zuverlässigkeit während des Langzeitbetriebs und verkürzen somit die Lebensdauer von H-TENGs.
Basierend auf dem Hofmeister-Effekt auf Stärkepolymere entwickelten die Forscher eine einfache und effiziente Lösungsmittelaustauschstrategie, um BRC-Hydrogele mit ultrahoher mechanischer Zuverlässigkeit herzustellen. Die Bildung der bündelnden Stärkeketten verleiht dem BRC-Hydrogel einen hervorragenden Modul von ~0,87 MPa, eine Bruchenergie von 7,45 kJ/m2, eine Durchstoßfestigkeit von ~15 MPa und eine Langzeitstabilität.
Außerdem haben sich die elektrischen Eigenschaften des BRC-Hydrogels bemerkenswert verbessert, da reichlich freie Ionen (dh Na+, Cit-) in das BRC-Hydrogel eingeführt wurden.
Unter Verwendung dieses BRC-Hydrogels als Elektrodenmaterial stellten die Forscher das auf BRC-Hydrogel basierende TENG (BRCH-TENG) mit hervorragenden elektrischen Ausgangsleistungen und mechanischer Sicherheit her. Die stabile mechanische Eigenschaft bei kontinuierlicher physikalischer Belastung trägt zur Verbesserung der Langzeitstabilität des BRCH-TENG bei und verlängert so seine Lebensdauer bei versehentlicher physikalischer Belastung.
Darüber hinaus zeigt das fabrizierte BRCH-TENG gute und breite Anwendungsperspektiven im Bereich der Energiegewinnung beim Gehen, der Echtzeit-Bewegungsschritterkennung und der Informationskommunikation.
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Rui Li et al, Bruchfeste Hydrogelelektrode ermöglicht ultrahohe mechanische Zuverlässigkeit für triboelektrische Nanogeneratoren, Zeitschrift für Verfahrenstechnik (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.140261