Dispositivos triboeléctricos de alto rendimiento mediante polarización dieléctrica:una revisión

Introducción

Los dispositivos piezoeléctricos, piroeléctricos y triboeléctricos han atraído gran atención como dispositivos de recolección de energía para la generación de energía de los entornos circundantes, como el agua, el viento, la luz, la temperatura y las vibraciones [1]. Además de las fuentes de energía, estos dispositivos se pueden utilizar como sensores autoalimentados para diversas aplicaciones, como máscaras electrónicas, dispositivos de monitoreo de atención médica y robótica [2]. Entre ellos, los dispositivos triboeléctricos muestran rendimientos de salida relativamente más altos cuando se contactan un par de materiales triboeléctricos [3, 4, 5, 6]. Las señales triboeléctricas producidas se pueden utilizar para operar directamente dispositivos eléctricos [7, 8, 9, 10, 11] o monitorear los estímulos mecánicos o químicos en los dispositivos [4]. Los dispositivos triboeléctricos pueden diseñarse simplemente para una fabricación simple, bajo costo, excelente rendimiento de salida y flexibilidad en comparación con otras tecnologías, que son ventajosas para aplicaciones portátiles autoamplificadas [12].

La triboelectricidad se produce debido a la electrificación por contacto y la inducción electrostática entre materiales triboeléctricos diferentes. El contacto mecánico induce las cargas opuestas compensadas en cada capa triboeléctrica debido a la electrificación del contacto, y la separación mecánica da como resultado el flujo de corriente a través del circuito externo debido a la inducción electrostática. Por lo tanto, el rendimiento de la salida triboeléctrica se ve afectado directamente por las cargas superficiales en las capas triboeléctricas.

Para altos rendimientos de salida triboeléctrica, son necesarias una generación de carga superficial eficiente durante la electrificación de contacto y una transferencia de carga efectiva durante la inducción electrostática. Por lo tanto, es crucial seleccionar materiales de pares de contactos triboeléctricos adecuados y diseñar estructuras de dispositivos óptimas. Con base en su mecanismo de trabajo, se han reportado cuatro tipos diferentes de dispositivos triboeléctricos que consisten en materiales dieléctricos como capas triboeléctricas [5]. Hay dos categorías de dispositivos triboeléctricos según los tipos de materiales de pares de contactos triboeléctricos:dispositivos de modo de contacto dieléctrico a dieléctrico y conductor a dieléctrico (Fig. 1a) [13]. En el primero, dos placas dieléctricas, con espesores d ₁ y d ₂ , así como las constantes dieléctricas relativas ε _{r, 1} y ε _{r, 2} , respectivamente, se apilan cara a cara como capas triboeléctricas, y las capas de electrodo se depositan sobre la superficie dieléctrica exterior. La distancia ( x ) entre las dos capas triboeléctricas se varía bajo una fuerza mecánica periódica.

Dispositivo triboeléctrico de base dieléctrica y polarización dieléctrica: a Modelos teóricos para modos de contacto de placa paralela y diagrama de circuito equivalente para TENG dieléctrico a dieléctrico y conductor a dieléctrico (Reproducido de Ref. [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). b Real ( ε ') y parte imaginaria ( ε ") de la constante dieléctrica en función de la frecuencia en un polímero que tiene mecanismos de polarización interfacial, orientacional, iónica y electrónica (Reproducido con permiso de Ref. [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Posteriormente, las superficies de la capa triboeléctrica en contacto tienen cargas superficiales opuestas pero la misma densidad ( σ ) mediante electrificación por contacto. Cuando las capas triboeléctricas comienzan a separarse entre sí debido al aumento de la distancia, una diferencia de potencial ( V ) es inducida entre los dos electrodos por las cantidades de cargas positivas / negativas transferidas (+ Q / –Q ). De manera similar, en el modo de contacto de conductor a dieléctrico sin la capa dieléctrica 1, el metal 1 se usa como capa triboeléctrica superior y como electrodo superior. En la estructura de este dispositivo, hay dos partes de cargas en el metal 1:las cargas triboeléctricas (\ (S \ times \ sigma \)) y las cargas transferidas entre los dos electrodos ( –Q ), lo que conduce a (\ (S \ sigma - Q \)) de las cargas totales en el metal 1. Teniendo en cuenta los dispositivos triboeléctricos en modo de contacto mencionados anteriormente, el rendimiento de salida se puede derivar basándose en la electrodinámica de la siguiente manera [13]:

El espesor dieléctrico efectivo d ₀ se define como la suma de todos los espesores de dieléctrico d _i dividido por su permitividad relativa ε _{r, i} . Basado en Eq. 2, el rendimiento triboeléctrico se ve afectado directamente por la densidad de carga superficial (\ (\ sigma \)) de las capas dieléctricas.

Anteriormente, se ha informado que la modificación de la superficie de los materiales triboeléctricos o la introducción de materiales altamente dieléctricos aumentan la densidad de carga de la superficie. La modificación de la superficie, como el control de la morfología de la superficie [14,15,16,17] o la introducción de iones cargados [18,19,20,21], aumenta la densidad de carga de la superficie al ampliar el área de superficie o la polaridad triboeléctrica entre pares de capas. Además de ajustar la propiedad de la superficie, un aumento en la constante dieléctrica puede mejorar la capacitancia de la capa dieléctrica, dando como resultado un aumento en la densidad de carga de la superficie [6, 22, 23]. En un modelo de condensador de placas paralelas, la densidad de carga de la superficie se puede relacionar con la capacitancia de la capa dieléctrica de la siguiente manera [23, 24, 25]:

donde C y S indicar la capacitancia y el área de contacto, respectivamente. De la ecuación. 3, ya que la capacitancia ( C ), que es un factor capaz de mejorar la densidad de carga superficial en un dispositivo triboeléctrico de modo de contacto dieléctrico [6], aumenta con la constante dieléctrica y / o la reducción del espesor de la capa dieléctrica, la densidad de carga superficial es directamente proporcional a la relación entre la constante dieléctrica y el espesor ( ε / d ). De manera similar, en el dispositivo triboeléctrico, la capacitancia de la capa tribo-dieléctrica se puede expresar a partir de la Ec. 2 como:

Por ejemplo, usar una capa dieléctrica porosa en un dispositivo triboeléctrico es una forma eficiente de mejorar en gran medida la ε / d relación aumentando simultáneamente la constante dieléctrica y disminuyendo el espesor cuando la capa dieléctrica se presiona bajo presión externa, mejorando así significativamente la densidad de carga superficial [17, 23, 26, 27] incluso cuando se utilizan las mismas capas triboeléctricas. Por lo tanto, la constante dieléctrica de la capa triboeléctrica es un factor eficaz para mejorar la densidad de carga superficial mejor que el potencial superficial determinado por la selección de materiales de pares triboeléctricos.

Aunque la constante dieléctrica de un material triboeléctrico es un factor importante en la mejora de los rendimientos triboeléctricos, no ha habido discusiones exhaustivas sobre los principios y estrategias para aumentar la constante dieléctrica. Anteriormente, se habían informado varias revisiones excelentes sobre dispositivos triboeléctricos, incluidos materiales triboeléctricos y sus mecanismos de trabajo [3, 4, 5, 6, 12, 21, 28, 29]; sin embargo, hasta la fecha solo se han informado unos pocos estudios sobre dispositivos triboeléctricos inducidos por dieléctricos. Aquí, presentamos los conceptos básicos de la polarización dieléctrica y demostramos que el rendimiento de salida de los dispositivos triboeléctricos se puede controlar y mejorar significativamente mediante el diseño de materiales dieléctricos con polarización dieléctrica controlada.

Polarización dieléctrica para un rendimiento triboeléctrico mejorado

La constante dieléctrica (o permitividad relativa) se define como un factor por el cual el campo eléctrico aplicado disminuye a través de la polarización dieléctrica de los materiales, que puede mejorarse mediante la ingeniería de materiales dieléctricos mediante la introducción de aditivos dieléctricos o la modificación de estructuras químicas, lo que lleva a a varios fenómenos dieléctricos. La polarización dieléctrica se puede dividir en polarización electrónica, vibratoria (o atómica), orientacional (o dipolar), iónica e interfacial (Fig. 1b) [30,31,32,33]. Las polarizaciones electrónicas y atómicas son inducidas por la distorsión de electrones negativos y núcleos positivos en un átomo en dirección opuesta al campo eléctrico externo, adquiriendo así momentos dipolares eléctricos, que ocurren en el régimen de resonancia por encima de las frecuencias infrarrojas (> 100 GHz). Como los materiales basados ​​en polarización, como los semiconductores, no tienen pérdidas dieléctricas por debajo de 1 GHz, son los más deseados para aplicaciones prácticas que van desde unos pocos Hz a 1 GHz. Sin embargo, la mayoría de los polímeros orgánicos exhiben constantes dieléctricas más bajas (<10) que los materiales semiconductores debido a la naturaleza intrínseca de su enlace molecular, que no puede inducir polarización electrónica y atómica. Para inducir aún más polarizaciones electrónicas y atómicas en los polímeros, las estructuras de la cadena de polímero deben involucrar átomos más grandes con electrones polarizables, como Si, Ge o Sn, que las composiciones de polímero básico [34,35,36]. Aunque se sintetizan polímeros a base de Si, como los polisiloxanos o sus derivados, la constante dieléctrica no es mayor de 3-4. Por lo tanto, es difícil aumentar la polarización electrónica / atómica en polímeros aislantes.

En los polímeros, mientras que las polarizaciones electrónica y atómica se limitan a mejorar la constante dieléctrica debido a la estructura de enlace molecular intrínseca, las otras polarizaciones dipolares, iónicas e interfaciales se pueden utilizar para mejorar la constante dieléctrica. La polarización dipolar (de orientación) es causada por la reorientación de los momentos dipolares moleculares permanentes en los polímeros o nanocompuestos, incluidas las nanopartículas o los restos dipolares, que se ve afectada por las estructuras de fase (amorfa o cristalina), la temperatura y la frecuencia (generalmente <10 MHz) [ 32, 33]. La modificación de las estructuras dipolares permite la preparación de polímeros de vidrio dipolar, ferroeléctricos y ferroeléctricos relajantes [30]. Por ejemplo, la orientación dipolar de los derivados de fluoruro de polivinilideno (PVDF) conduce a la formación de un β -fase, aumentando así la constante dieléctrica, lo que mejora el rendimiento triboeléctrico [37, 38]. La polarización iónica puede ser causada por desplazamientos relativos entre iones cargados positiva y negativamente bajo una fuerza externa [30, 39]. Por lo tanto, se pueden usar polímeros con componentes iónicos para mejorar el rendimiento capacitivo a través de la polarización iónica. Por ejemplo, los componentes iónicos (por ejemplo, NaCl y LiCl) en los hidrogeles están polarizados bajo un campo externo, lo que lleva a la formación de capas dobles eléctricas, lo que da como resultado la mejora del rendimiento triboeléctrico [40,41,42,43]. La polarización interfacial es inducida por la reorganización de las cargas espaciales en las interfaces en los compuestos dieléctricos [30, 31]. Por lo tanto, la polarización interfacial es observable en todos los sistemas dieléctricos multicomponentes, incluidos los polímeros semicristalinos, las mezclas de polímeros o los nanocompuestos con alto k - o nanorrellenos conductores. Recientemente, nanocomposites de polímero con alto contenido de k En dispositivos triboeléctricos se han utilizado nanopartículas, que mejoran la constante dieléctrica neta, lo que conduce a un aumento de la densidad de carga superficial y, por lo tanto, al rendimiento triboeléctrico [23, 44, 45]. En las siguientes secciones, presentamos algunos ejemplos para demostrar la mejora del rendimiento de salida triboeléctrica a través de un aumento en la constante dieléctrica.

Polarización interfacial en compuestos de nanopartículas / polímeros de alta permisividad

Las nanopartículas de alta permitividad se utilizan para mejorar las constantes dieléctricas de los nanocompuestos poliméricos debido a la polarización en la interfaz entre el polímero y las nanopartículas. Debido a que los inorgánicos (p. Ej., Titanato de bario (BaTiO ₃ ) nanopartículas y nanocables) o conductores (p. ej., nanopartículas metálicas, nanotubos de carbono y grafeno) los nanomateriales se emplean ampliamente en matrices poliméricas para aumentar la constante dieléctrica neta, los compuestos poliméricos con varios aditivos tienen constantes dieléctricas más altas que los polímeros base, lo que conduce a una mejora actuaciones triboeléctricas. Chen y col. preparó una película de polidimetilsiloxano (PDMS) similar a una esponja, incluida una alta k nanopartículas (SiO ₂ , TiO ₂ , BaTiO ₃ y SrTiO ₃ ), para mejorar los rendimientos triboeléctricos (Fig. 2a) [23]. Porque SrTiO ₃ exhibe una permitividad más alta que los demás, PDMS con SrTiO ₃ muestra una constante dieléctrica más alta. Esto también puede ser causado por la polarización de la carga espacial en la interfaz entre el PDMS y SrTiO ₃ partículas. En particular, el rendimiento de la salida triboeléctrica se mejora mediante el aumento de la capacitancia a través del aumento de ε _r / d _PDMS durante el proceso de contacto. Además de las nanopartículas dieléctricas, diferentes tipos de materiales de alta permitividad, como BaTiO ₃ dopado con Al y CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , se aplican en las capas triboeléctricas, lo que conduce a una constante dieléctrica mejorada y al rendimiento triboeléctrico resultante (Fig. 2b) [44, 45]. Por otro lado, la adición de materiales conductores permite la formación de estructuras de microcondensadores en la matriz polimérica, que pueden inducir la acumulación de carga espacial en la interfaz entre la matriz polimérica y los aditivos. Este tipo de polarización interfacial se debe a la mayor diferencia de conductividad entre el polímero y los aditivos conductores.

Rendimientos triboeléctricos mejorados por la polarización interfacial en compuestos de nanopartículas / polímeros de alta permitividad: a Nanogenerador triboeléctrico compuesto de nanopartículas dieléctricas / esponja PDMS (Reproducido con permiso de Ref. [23]. Copyright 2016 American Chemical Society). b Nanogenerador triboeléctrico de modo de separación por contacto con películas compuestas de partículas de alto dieléctrico P (VDF-TrFE) y PDMS como capas de fricción (reproducido de la Ref. [45]. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

Por lo tanto, los compuestos poliméricos con materiales a base de metal o carbono exhiben un aumento de las constantes dieléctricas en comparación con los polímeros puros, lo que conduce a una mejora de la densidad de carga superficial y el rendimiento triboeléctrico resultante (Fig. 3) [6, 46]. Aunque los compuestos poliméricos de alta permitividad se utilizan ampliamente como materiales negativos triboeléctricos, existen algunas limitaciones con respecto a la mejora del rendimiento de salida:(1) Existe una proporción optimizada de aditivos en la matriz polimérica porque los aditivos excesivos provocan fugas de corriente [46, 48] o área de fricción superficial reducida [23, 49], lo que resulta en una disminución en el rendimiento de salida. (2) Los aditivos deben dispersarse homogéneamente en la matriz del polímero para mejorar la polarización interfacial porque las nanopartículas agregadas interrumpen la polarización interfacial mediante la reducción del área interfacial entre el polímero y las nanopartículas.

Rendimientos triboeléctricos mejorados por la polarización interfacial en compuestos poliméricos con materiales a base de metal o carbono: a Nanogenerador triboeléctrico compuesto de GPs @ PDMS (reproducido de la Ref. [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). b Nanogenerador triboeléctrico basado en inclusión de metal líquido con pilas dieléctricas intercaladas (reproducido de la Ref. [48]. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

Polarización interfacial en películas de polímeros multicapa

Para los compuestos de nanopartículas / polímeros de fase aleatoria, la polarización interfacial es difícil de controlar porque se requiere controlar con precisión la cantidad y dispersión de nanopartículas [30]. En dieléctricos multicapa, la polarización interfacial se puede controlar fácilmente porque todas las interfaces son perpendiculares al campo eléctrico, lo que da como resultado una acumulación uniforme de carga espacial en las interfaces multicapa y una constante dieléctrica mejorada. Los dieléctricos de polímeros multicapa se han investigado ampliamente para mejorar su constante dieléctrica mediante la polarización interfacial entre capas de polímeros diferentes [50]. La polarización interfacial ocurre cuando las cargas espaciales (electrones e iones) se acumulan en la interfaz entre dos materiales diferentes con grandes contrastes en permitividad y conductividad eléctrica bajo un campo externo [30]. Kim y col. [51] y Feng et al. [52] demostró el efecto de las películas bicapa con una mayor diferencia en la permitividad relativa sobre el rendimiento de salida triboeléctrica (Fig. 4a, b). La adición de capas dieléctricas inferiores entre la capa conductora y el electrodo provoca el atrapamiento o almacenamiento de la carga en la película dieléctrica, lo que conduce a una mayor densidad de carga. La acumulación de carga podría deberse al aumento de la polarización en la interfaz de las películas bicapa a través de la gran diferencia en la permitividad o conductividad entre PVDF y películas aislantes. Por otro lado, nuestro grupo demostró el efecto de una película bicapa que consta de polímeros con diferentes unidades de flúor y capas aislantes de polietileno tereftalato (PET) sobre el rendimiento de salida (Fig. 4c) [53]. En particular, los polímeros fluorados con tres unidades de flúor en la cadena lateral (poli (metacrilato de 2,2,2-trifluoroetilo), PTF) se recubren sobre sustratos de PET con una constante dieléctrica más baja, lo que aumenta la constante dieléctrica, que es causada por la mejora polarización interfacial en la interfaz entre el PTF semicristalino y el PET. En consecuencia, el PTF-PET exhibió un rendimiento triboeléctrico más alto que las otras películas de polímero fluorado. Según los resultados mencionados anteriormente, las películas de múltiples capas dieléctricas heterogéneas pueden ser un diseño robusto para mejorar el rendimiento triboeléctrico de dispositivos flexibles o portátiles.

Rendimientos triboeléctricos mejorados por la polarización interfacial en películas poliméricas multicapa: a Nanogenerador triboeléctrico compuesto por PVDF / PDMS de doble capa y nailon 6 / PDMS de doble capa con varios espesores de intercapa de PDMS (Adaptado de Ref. [51]. Copyright 2018 Elsevier). b Nanogenerador triboeléctrico sin y con PI como capa de transición para el almacenamiento de carga (Adaptado de Ref. [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Nanogenerador triboeléctrico bicapa basado en polímeros fluorados con diferentes tipos de unidades de flúor (Reproducido de Ref. [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarización iónica en geles de polímeros iónicos

En la matriz de polímero que incluye los componentes iónicos excepto los iones de impureza, la polarización iónica promueve la formación de una doble capa eléctrica (EDL) en la interfaz entre el electrolito del polímero y el electrodo, lo que conduce a la mejora de la constante dieléctrica [30, 39, 54]. La polarización se utiliza a menudo en dispositivos de almacenamiento de energía, como condensadores (por ejemplo, supercondensadores o condensadores EDL) y baterías [55]. Según la ecuación de Helmholtz, la capacitancia se puede expresar como C ≈ kε ₀ / λ , donde k , ε ₀ , y λ son la constante dieléctrica efectiva de la EDL, la permitividad de vacío y la longitud de la pantalla Debye (o el espesor de la doble capa), respectivamente. En un dispositivo triboeléctrico, a menudo se emplean componentes iónicos, como pares de iones simétricos o asimétricos y líquidos iónicos, en materiales poliméricos. Dado que el poli (alcohol vinílico) (PVA) es un tipo de material triboeléctrico negativo debido a los grupos hidroxilo en la cadena principal del polímero, puede interactuar con diferentes tipos de pares de iones. Cuando se aplica un campo eléctrico externo, puede ocurrir polarización iónica debido a los desplazamientos relativos entre los iones positivos y negativos, contribuyendo así a la formación de EDL en la interfaz entre las capas triboeléctricas. Ryu y col. [43] prepararon electrolitos de polímeros sólidos (SPEs) basados ​​en PVA con iones simétricos o asimétricos como capas triboeléctricas positivas o negativas, respectivamente (Fig. 5a). Después del proceso de contacto con PVA prístino, se midieron sistemáticamente diferentes potenciales de superficie mediante el efecto de diferentes tipos de dopaje iónico. Por ejemplo, las SPEs se convierten en materiales triboeléctricos negativos o positivos después de la adición de ácido fosfórico (H ₃ PO ₄ ) con más cationes que aniones o cloruro de calcio (CaCl ₂ ) con más aniones que cationes, respectivamente, porque los cationes o aniones crean estados adicionales cargados o desocupados de electrones. En la práctica, se muestra que un conductor iónico que consiste en PVA con solución de bórax o poli (acilamida) con cloruro de litio se aplica en aplicaciones de captación de energía biomecánica y detección táctil, lo que mejora el rendimiento triboeléctrico a través de la formación de EDL (Fig. 5b) [41, 42, 56]. Del mismo modo, Zou et al. [40] fabricó un nanogenerador estirable biónico que consta de un elastómero Ecoflex y una solución de cloruro de sodio (NaCl) inspirada en la estructura de los canales iónicos en la citomembrana del electrolito en una anguila eléctrica. Al combinar los efectos de la triboelectrificación a través del flujo de líquido y la inducción electrostática a través de iones polarizados, el dispositivo recolecta energía mecánica del movimiento humano bajo el agua con un voltaje de circuito abierto superior a 10 V. Además, Lee et al. [56] investigó el rendimiento triboeléctrico cuando se conectó un nanogenerador a una unidad de gel de iones compuesta de un líquido iónico y poli (fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno), lo que generó un perfil de voltaje amplio y lento debido al gran tiempo de relajación de los iones polarizados. (Figura 5c). Los dispositivos triboeléctricos basados ​​en gel iónico permiten la fabricación de dispositivos portátiles ultraestirables, transparentes e impermeables, aunque los dispositivos deben estar encapsulados por la matriz elastomérica para evitar la fuga de iones.

Rendimiento triboeléctrico mejorado por la polarización iónica en un gel de polímero iónico: a Nanogenerador triboeléctrico SPE basado en PVA con diferentes tipos de iones (Reproducido con permiso de Ref. [43]. Copyright 2017 Wiley – VCH). b Nanogenerador triboeléctrico suave similar a una piel que permite la recolección de energía biomecánica y la detección táctil al hibridar elastómero e hidrogel iónico (PAAm-LiCl) como capa de electrificación y electrodo, respectivamente (Reproducido bajo los términos de la licencia CC-BY-NC 4.0. Ref. [41]. Copyright 2017, Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia). c Sistema de gel de iones triboeléctricos, que consta del nanogenerador triboeléctrico y las unidades de gel de iones (Reproducido de Ref. [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarización dipolar en derivados ferroeléctricos de PVDF

La polarización dipolar (orientacional) es otra estrategia para mejorar la constante dieléctrica con baja pérdida dieléctrica, que es causada por el aumento del momento dipolar a través de los dipolos alineados en las estructuras de fase de las cadenas de polímero. Los ejemplos típicos son PVDF y sus derivados. Los polímeros tienen momentos dipolares permanentes desde el unidireccional β Se forma una fase que conduce a un aumento de la constante dieléctrica y al rendimiento triboeléctrico resultante. Cheon y col. [37] demostraron nanogeneradores triboeléctricos de alto rendimiento basados ​​en nanofibras compuestas de nanocables de PVDF-plata (AgNW) (Fig. 6a). La introducción de AgNW en PVDF aumenta la proporción de β -fase a la α -fase a través de la interacción entre AgNW y cadenas moleculares de PVDF, lo que resulta en una constante dieléctrica mejorada, que permite la captura de carga en la capa dieléctrica de PVDF-AgNW. Además de las fuentes de metales, Seung et al . [38] introdujo nanopartículas semiconductoras (BaTiO ₃ ) en una matriz de copolímero ferroeléctrico (poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno), PVDF-TrFE) (Fig. 6b). El rendimiento triboeléctrico se mejora significativamente después del proceso de pulido, que es más de 150 veces mayor que el de los nanogeneradores triboeléctricos basados ​​en politetrafluoretileno típicos. A diferencia de los compuestos poliméricos heterogéneos, nuestro grupo demostró recientemente el efecto de los nanocompuestos multicapa ferroeléctricos sobre el rendimiento triboeléctrico (Fig. 6c) [57]. Las películas dieléctricas multicapa que constan de PVDF-TrFE y BaTiO ₃ alternados Las capas muestran una constante dieléctrica más alta (17,1) que la película de PVDF-TrFE puro (13,9) y el PVDF-TrFE / BaTiO ₃ simple nanocompuesto (15.9) debido a la polarización interfacial entre las capas de copolímero y nanopartículas, como se explica en la sección sobre la película dieléctrica multicapa (Fig. 4). Secuencialmente, el rendimiento de la salida triboeléctrica aumenta en comparación con las películas de una sola capa. Aunque los nanocompuestos de polímero ferroeléctrico mejoran el rendimiento de salida triboeléctrica debido al aumento de la constante dieléctrica a través de la alta polarización ferroeléctrica, existe una limitación para aumentar el rendimiento de salida debido al umbral de percolación de los aditivos.

Rendimientos triboeléctricos mejorados por polarización dipolar en compuestos de PVDF ferroeléctricos: a Nanogenerador triboeléctrico basado en el compuesto PVDF-AgNW y nanofibras de nailon preparadas mediante métodos de electrohilado (Reproducido con permiso de Ref. [37]. Copyright 2018 Wiley-VCH). b Nanogenerador triboeléctrico de compuestos ferroeléctricos (reproducido con permiso de Ref. [38]. Copyright 2017 Wiley – VCH). c Nanogenerador triboeléctrico multicapa basado en PVDF-TrFE / BTO (Reproducido con permiso de Ref. [57]. Copyright 2020 American Chemical Society)

Por otro lado, el momento dipolar se puede modificar introduciendo moléculas individuales polares [58], como –CN, –NO ₂ y –SO ₂ -, o polímeros polares [59,60,61], incluidos poliestireno, poli (metacrilato de 2-hidroxietilo) y poli (metacrilamida de dopamina), que permiten la rotación de dipolos en el volumen libre de polímeros, lo que conduce a una mejora en la constante dieléctrica. La polarización dipolar se ha utilizado recientemente para aumentar la constante dieléctrica de los materiales triboeléctricos uniendo grupos polares con grandes momentos dipolares a la cadena lateral de los polímeros [22]; Lee y col. demostraron que el copolímero de injerto de PVDF aumentó notablemente el rendimiento de salida triboeléctrica (Fig. 7). Se introdujo poli (acrilato de terc-butilo) (PtBA) con diferentes relaciones de injerto en la cadena de PVDF, lo que condujo a un momento dipolar mejorado por enlaces π y grupos éster polares en PtBA, lo que mejoró la constante dieléctrica y, posteriormente, el rendimiento de salida triboeléctrica. Además del polímero de injerto, los dieléctricos de polímero con dominios nanoestructurados aumentan la constante dieléctrica por polarización orientacional dipolar [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.

Disponibilidad de datos y materiales

No aplica.

Abreviaturas

EDL:

Electric double layer

PDMS:

Polidimetilsiloxano

PET:

Tereftalato de polietileno

PtBA:

Poly(tert-butyl acrylate)

PTF:

Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)

PVA:

Poly(vinyl alcohol)

PVDF:

Fluoruro de polivinilideno

SPE:

Solid polymer electrolyte

Síntesis in situ de nanopartículas de plata en fibra de poliacrilonitrilo injertada con amino y su actividad antibacteriana Simulación y análisis de rendimiento de biosensor TFET de puerta de trinchera de fuente dual dieléctrica modulada