Perangkat Triboelektrik Berkinerja Tinggi melalui Polarisasi Dielektrik:Tinjauan
Abstrak
Perangkat pemanen energi berdasarkan efek triboelektrik telah menarik perhatian besar karena kinerja keluarannya yang lebih tinggi dibandingkan dengan nanogenerator lainnya, yang telah digunakan dalam berbagai aplikasi yang dapat dikenakan. Berdasarkan mekanisme kerja, kinerja triboelectric terutama sebanding dengan kerapatan muatan permukaan bahan triboelectric. Berbagai pendekatan, seperti modifikasi kelompok fungsional permukaan dan komposisi dielektrik dari bahan triboelektrik, telah digunakan untuk meningkatkan kerapatan muatan permukaan, yang mengarah pada peningkatan kinerja triboelektrik. Khususnya, penyetelan sifat dielektrik bahan triboelektrik dapat secara signifikan meningkatkan kerapatan muatan permukaan karena muatan permukaan sebanding dengan permitivitas relatif bahan triboelektrik. Konstanta dielektrik relatif dimodifikasi oleh polarisasi dielektrik, seperti elektronik, vibrasi (atau atom), orientasi (atau dipolar), ionik, dan polarisasi antarmuka. Oleh karena itu, polarisasi seperti itu merupakan faktor penting untuk meningkatkan konstanta dielektrik dan kinerja triboelektrik. Dalam ulasan ini, kami merangkum wawasan terbaru tentang peningkatan kinerja triboelektrik melalui peningkatan polarisasi dielektrik.
Pengantar
Perangkat piezoelektrik, piroelektrik, dan triboelektrik telah menarik perhatian besar sebagai perangkat pemanen energi untuk pembangkit listrik dari lingkungan sekitar, seperti air, angin, cahaya, suhu, dan getaran [1]. Selain sumber daya, perangkat ini dapat digunakan sebagai sensor self-powered untuk berbagai aplikasi seperti skin elektronik, perangkat pemantauan kesehatan, dan robotika [2]. Di antara mereka, perangkat triboelectric menampilkan kinerja output yang relatif lebih tinggi ketika beberapa bahan triboelectric dihubungi [3,4,5,6]. Sinyal triboelektrik yang dihasilkan dapat digunakan untuk mengoperasikan perangkat listrik secara langsung [7,8,9,10,11] atau memantau rangsangan mekanik atau kimia pada perangkat [4]. Perangkat triboelektrik dapat dirancang sederhana untuk fabrikasi sederhana, biaya rendah, kinerja keluaran yang sangat baik, dan fleksibilitas jika dibandingkan dengan teknologi lain, yang menguntungkan untuk aplikasi perangkat yang dapat dipakai sendiri [12].
Triboelectricity terjadi karena kontak elektrifikasi dan induksi elektrostatik antara bahan triboelectric yang berbeda. Kontak mekanis menginduksi muatan berlawanan yang dikompensasi pada setiap lapisan triboelektrik karena elektrifikasi kontak, dan pemisahan mekanis menghasilkan aliran arus melalui rangkaian eksternal karena induksi elektrostatik. Oleh karena itu, kinerja keluaran triboelektrik secara langsung dipengaruhi oleh muatan permukaan pada lapisan triboelektrik.
Untuk kinerja keluaran triboelektrik yang tinggi, diperlukan pembangkitan muatan permukaan yang efisien selama elektrifikasi kontak dan transfer muatan yang efektif selama induksi elektrostatik. Oleh karena itu, sangat penting untuk memilih bahan pasangan kontak triboelektrik yang sesuai dan merancang struktur perangkat yang optimal. Berdasarkan mekanisme kerjanya, telah dilaporkan empat jenis perangkat triboelektrik yang terdiri dari bahan dielektrik sebagai lapisan triboelektrik [5]. Ada dua kategori perangkat triboelektrik berdasarkan jenis bahan pasangan kontak triboelektrik:perangkat mode kontak dielektrik-ke-dielektrik dan konduktor-ke-dielektrik (Gbr. 1a) [13]. Yang pertama, dua pelat dielektrik, dengan ketebalan d1 dan d2 , serta konstanta dielektrik relatif εr,1 dan εr,2 , masing-masing, ditumpuk berhadap-hadapan sebagai lapisan triboelektrik, dan lapisan elektroda diendapkan pada permukaan dielektrik luar. Jarak (x ) antara dua lapisan triboelektrik divariasikan di bawah gaya mekanik periodik.
Perangkat triboelektrik berbasis dielektrik dan polarisasi dielektrik:a Model teoretis untuk mode kontak pelat paralel dan diagram rangkaian ekivalen untuk TENG dielektrik-ke-dielektrik dan konduktor-ke-dielektrik (Direproduksi dari Referensi [21]. Hak Cipta 2014 Royal Society of Chemistry). b Nyata (ε ') dan bagian imajiner (ε ") dari konstanta dielektrik sebagai fungsi frekuensi dalam polimer yang memiliki mekanisme polarisasi antarmuka, orientasi, ionik, dan elektronik (Direproduksi dengan izin dari Ref. [32, 33]. Hak Cipta 2012 American Chemical Society)
Selanjutnya, permukaan lapisan triboelektrik yang dihubungi memiliki muatan permukaan yang berlawanan tetapi kepadatan yang sama (σ ) melalui elektrifikasi kontak. Ketika lapisan triboelektrik mulai terpisah satu sama lain karena jarak yang semakin jauh, perbedaan potensial (V ) diinduksi antara dua elektroda dengan jumlah muatan positif/negatif yang ditransfer (+Q /–Q ). Demikian pula, dalam mode kontak konduktor-ke-dielektrik tanpa lapisan dielektrik 1, logam 1 digunakan sebagai lapisan triboelektrik atas dan elektroda atas. Dalam struktur perangkat ini, ada dua bagian muatan dalam logam 1:muatan triboelektrik (\(S \times \sigma\)) dan muatan yang ditransfer antara dua elektroda (–Q ), sehingga mengarah ke (\(S\sigma - Q\)) dari total muatan dalam logam 1. Mengingat perangkat triboelektrik mode kontak yang disebutkan di atas, kinerja output dapat diturunkan berdasarkan elektrodinamika sebagai berikut [13]:
Ketebalan dielektrik efektif d0 didefinisikan sebagai penjumlahan dari semua ketebalan dielektrik di dibagi dengan permitivitas relatifnya εr,i . Berdasarkan Persamaan. 2, kinerja triboelektrik secara langsung dipengaruhi oleh kerapatan muatan permukaan (\(\sigma\)) dari lapisan dielektrik.
Sebelumnya, modifikasi permukaan bahan triboelektrik atau pengenalan bahan dielektrik tinggi telah dilaporkan meningkatkan kerapatan muatan permukaan. Modifikasi permukaan, seperti kontrol morfologi permukaan [14,15,16,17] atau pengenalan ion bermuatan [18,19,20,21], meningkatkan kerapatan muatan permukaan dengan memperbesar luas permukaan atau polaritas triboelektrik antara triboelektrik lapisan pasangan. Selain menyetel properti permukaan, peningkatan konstanta dielektrik dapat meningkatkan kapasitansi lapisan dielektrik, sehingga menghasilkan peningkatan kerapatan muatan permukaan [6, 22, 23]. Dalam model kapasitor pelat paralel, kerapatan muatan permukaan dapat dikaitkan dengan kapasitansi lapisan dielektrik sebagai berikut [23,24,25]:
dimana C dan S menunjukkan kapasitansi dan bidang kontak, masing-masing. Dari Persamaan. 3, karena kapasitansi (C ), yang merupakan faktor yang mampu meningkatkan kerapatan muatan permukaan dalam perangkat triboelektrik mode kontak dielektrik [6], meningkat dengan konstanta dielektrik dan/atau pengurangan ketebalan lapisan dielektrik, kerapatan muatan permukaan berbanding lurus dengan rasio konstanta dielektrik dengan ketebalan (ε /d ). Demikian pula, dalam perangkat triboelektrik, kapasitansi dari lapisan tribo-dielektrik dapat dinyatakan dari Persamaan. 2 sebagai:
Misalnya, menggunakan lapisan dielektrik berpori dalam perangkat triboelektrik adalah cara yang efisien untuk meningkatkan /d rasio dengan secara bersamaan meningkatkan konstanta dielektrik dan mengurangi ketebalan ketika lapisan dielektrik ditekan di bawah tekanan eksternal, sehingga secara signifikan meningkatkan kerapatan muatan permukaan [17, 23, 26, 27] bahkan ketika lapisan triboelektrik yang sama digunakan. Oleh karena itu, konstanta dielektrik lapisan triboelektrik merupakan faktor yang efektif untuk meningkatkan kerapatan muatan permukaan lebih baik daripada potensial permukaan yang ditentukan oleh pemilihan bahan pasangan triboelektrik.
Meskipun konstanta dielektrik bahan triboelektrik merupakan faktor penting dalam peningkatan kinerja triboelektrik, belum ada diskusi komprehensif tentang prinsip dan strategi untuk meningkatkan konstanta dielektrik. Sebelumnya, beberapa ulasan yang sangat baik pada perangkat triboelectric, termasuk bahan triboelectric dan mekanisme kerjanya, telah dilaporkan [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; namun, hanya beberapa penelitian tentang perangkat triboelektrik yang diinduksi dielektrik yang telah dilaporkan hingga saat ini. Di sini, kami memperkenalkan dasar-dasar polarisasi dielektrik dan menunjukkan bahwa kinerja keluaran perangkat triboelektrik dapat dikontrol dan ditingkatkan secara signifikan dengan desain bahan dielektrik dengan polarisasi dielektrik terkontrol.
Polarisasi Dielektrik untuk Peningkatan Kinerja Triboelektrik
Konstanta dielektrik (atau permitivitas relatif) didefinisikan sebagai faktor di mana medan listrik yang diterapkan berkurang melalui polarisasi dielektrik bahan, yang dapat ditingkatkan dengan bahan dielektrik rekayasa melalui pengenalan aditif dielektrik atau modifikasi struktur kimia, sehingga mengarah berbagai fenomena dielektrik. Polarisasi dielektrik dapat dibagi menjadi polarisasi elektronik, vibrasi (atau atom), orientasi (atau dipolar), ionik, dan antarmuka (Gbr. 1b) [30,31,32,33]. Polarisasi elektronik dan atom diinduksi oleh distorsi elektron negatif dan inti positif dalam atom dalam arah yang berlawanan dengan medan listrik eksternal, sehingga memperoleh momen dipol listrik, yang terjadi pada rezim resonansi di atas frekuensi inframerah (> 100 GHz). Karena bahan berbasis polarisasi, seperti semikonduktor, tidak memiliki rugi dielektrik di bawah 1 GHz, bahan ini paling diinginkan untuk aplikasi praktis mulai dari beberapa Hz hingga 1 GHz. Namun, sebagian besar polimer organik menunjukkan konstanta dielektrik yang lebih rendah (< 10) daripada bahan semikonduktor karena sifat intrinsik ikatan molekulnya, yang tidak dapat menginduksi polarisasi elektron dan atom. Untuk lebih menginduksi polarisasi elektronik dan atom dalam polimer, struktur rantai polimer harus melibatkan atom yang lebih besar dengan elektron terpolarisasi, seperti Si, Ge, atau Sn, daripada komposisi polimer dasar [34,35,36]. Meskipun polimer berbasis Si, seperti polisiloksan atau turunannya, disintesis, konstanta dielektrik tidak lebih besar dari 3-4. Oleh karena itu, sulit untuk meningkatkan polarisasi elektron/atom dalam isolasi polimer.
Dalam polimer, sedangkan polarisasi elektronik dan atom terbatas untuk meningkatkan konstanta dielektrik karena struktur ikatan molekul intrinsik, polarisasi dipolar, ionik, dan antarmuka lainnya dapat digunakan untuk meningkatkan konstanta dielektrik. Polarisasi dipolar (orientasi) disebabkan oleh reorientasi momen dipol molekul permanen dalam polimer atau nanokomposit termasuk nanopartikel atau bagian dipolar, yang dipengaruhi oleh struktur fase (amorf atau kristal), suhu, dan frekuensi (biasanya < 10 MHz) [ 32, 33]. Modifikasi struktur dipol memungkinkan pembuatan kaca dipolar, feroelektrik, dan polimer feroelektrik relaxor [30]. Misalnya, orientasi dipol turunan polivinilidena fluorida (PVDF) mengarah pada pembentukan β -fase, sehingga meningkatkan konstanta dielektrik, yang meningkatkan kinerja triboelektrik [37, 38]. Polarisasi ion dapat disebabkan oleh perpindahan relatif antara ion bermuatan positif dan negatif di bawah gaya eksternal [30, 39]. Oleh karena itu, polimer dengan komponen ionik dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja kapasitif melalui polarisasi ion. Misalnya, komponen ionik (misalnya, NaCl dan LiCl) dalam hidrogel terpolarisasi di bawah medan eksternal, yang mengarah ke pembentukan lapisan ganda listrik, yang menghasilkan peningkatan kinerja triboelektrik [40,41,42,43]. Polarisasi antarmuka diinduksi oleh reorganisasi muatan ruang pada antarmuka dalam komposit dielektrik [30, 31]. Oleh karena itu, polarisasi antarmuka dapat diamati di semua sistem dielektrik multikomponen, termasuk polimer semi-kristal, campuran polimer, atau nanokomposit dengan k tinggi. - atau penghantar-nanofiller. Baru-baru ini, polimer nanokomposit dengan k . tinggi nanopartikel, yang meningkatkan konstanta dielektrik bersih, sehingga mengarah pada peningkatan kepadatan muatan permukaan, dan dengan demikian kinerja triboelektrik, telah digunakan dalam perangkat triboelektrik [23, 44, 45]. Pada bagian berikut, kami memperkenalkan beberapa contoh untuk menunjukkan peningkatan kinerja keluaran triboelektrik melalui peningkatan konstanta dielektrik.
Polarisasi Antarmuka dalam Komposit Nanopartikel/Polimer dengan Izin Tinggi
Nanopartikel dengan permitivitas tinggi digunakan untuk meningkatkan konstanta dielektrik nanokomposit polimer karena polarisasi pada antarmuka antara polimer dan nanopartikel. Karena anorganik (misalnya, barium titanat (BaTiO3 ) nanopartikel dan kawat nano) atau konduktif (misalnya, nanopartikel logam, nanotube karbon, dan graphene) bahan nano banyak digunakan dalam matriks polimer untuk meningkatkan konstanta dielektrik bersih, komposit polimer dengan berbagai aditif memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi daripada polimer dasar, sehingga mengarah pada peningkatan pertunjukan triboelektrik. Chen dkk. menyiapkan film polydimethylsiloxane (PDMS) seperti spons, termasuk k . tinggi nanopartikel (SiO2 , TiO2 , BaTiO3 , dan SrTiO3 ), untuk meningkatkan kinerja triboelektrik (Gbr. 2a) [23]. Karena SrTiO3 menunjukkan permitivitas lebih tinggi daripada yang lain, PDMS dengan SrTiO3 menampilkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi. Hal ini juga dapat disebabkan oleh polarisasi muatan ruang pada antarmuka antara PDMS dan SrTiO3 partikel. Khususnya, kinerja keluaran triboelektrik ditingkatkan dengan peningkatan kapasitansi melalui peningkatan εr /dPDMS selama proses kontak. Selain nanopartikel dielektrik, berbagai jenis material dengan permitivitas tinggi, seperti BaTiO yang didoping Al3 dan CaCu3 Ti4 O12 , diterapkan pada lapisan triboelektrik, yang mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik dan kinerja triboelektrik yang dihasilkan (Gbr. 2b) [44, 45]. Di sisi lain, penambahan bahan konduktif memungkinkan pembentukan struktur mikro-kapasitor dalam matriks polimer, yang dapat menyebabkan akumulasi muatan ruang pada antarmuka antara matriks polimer dan aditif. Jenis polarisasi antarmuka ini disebabkan oleh perbedaan konduktivitas yang lebih besar antara polimer dan aditif konduktor.
Performa triboelektrik ditingkatkan dengan polarisasi antarmuka dalam komposit nanopartikel/polimer dengan izin tinggi:a Nanogenerator triboelektrik berbasis komposit nanopartikel/spon spons PDMS (Direproduksi dengan izin dari Referensi [23]. Hak Cipta 2016 American Chemical Society). b Mode pemisahan kontak triboelektrik nanogenerator dengan P(VDF-TrFE) dan film komposit partikel dielektrik tinggi PDMS sebagai lapisan gesekan (Direproduksi dari Referensi [45]. Hak Cipta 2018 Royal Society of Chemistry)
Oleh karena itu, komposit polimer dengan logam atau bahan berbasis karbon menunjukkan peningkatan konstanta dielektrik dibandingkan dengan polimer murni, yang mengarah pada peningkatan kepadatan muatan permukaan dan kinerja triboelektrik yang dihasilkan (Gbr. 3) [6, 46]. Meskipun komposit polimer berpermitivitas tinggi banyak digunakan sebagai bahan negatif triboelektrik, ada beberapa keterbatasan dalam meningkatkan kinerja keluaran:(1) Ada rasio aditif yang dioptimalkan dalam matriks polimer karena aditif yang berlebihan menyebabkan arus bocor [46, 48] atau mengurangi area gesekan permukaan [23, 49], sehingga menghasilkan penurunan kinerja keluaran. (2) Aditif harus terdispersi secara homogen dalam matriks polimer untuk meningkatkan polarisasi antarmuka karena nanopartikel agregat mengganggu polarisasi antarmuka melalui pengurangan area antarmuka antara polimer dan nanopartikel.
Performa triboelektrik ditingkatkan dengan polarisasi antarmuka dalam komposit polimer dengan bahan berbasis logam atau karbon:a GPs@PDMS nanogenerator triboelektrik berbasis komposit (Direproduksi dari Referensi [82]. Hak Cipta 2015 Royal Society of Chemistry). b Nanogenerator triboelektrik berbasis logam-cair dengan tumpukan dielektrik terjepit (Direproduksi dari Referensi [48]. Hak Cipta 2019 Royal Society of Chemistry)
Polarisasi Antarmuka dalam Film Polimer Multilayer
Untuk komposit nanopartikel/polimer fase acak, polarisasi antarmuka sulit dikontrol karena diperlukan pengontrolan jumlah dan dispersi nanopartikel yang tepat [30]. Dalam dielektrik multilayer, polarisasi antarmuka dapat dengan mudah dikontrol karena semua antarmuka tegak lurus terhadap medan listrik, menghasilkan akumulasi muatan ruang yang seragam pada antarmuka multilayer dan meningkatkan konstanta dielektrik. Dielektrik polimer multilayer telah diselidiki secara luas untuk meningkatkan konstanta dielektriknya melalui polarisasi antarmuka antara lapisan polimer yang berbeda [50]. Polarisasi antarmuka terjadi ketika muatan ruang (elektron dan ion) terakumulasi pada antarmuka antara dua bahan yang berbeda dengan kontras yang besar dalam permitivitas dan konduktivitas listrik di bawah medan eksternal [30]. Kim dkk. [51] dan Feng dkk. [52] menunjukkan efek film bilayer dengan perbedaan yang lebih besar dalam permitivitas relatif pada kinerja keluaran triboelektrik (Gbr. 4a,b). Penambahan lapisan dielektrik yang lebih rendah antara lapisan konduktif dan elektroda menyebabkan perangkap atau penyimpanan muatan dalam film dielektrik, sehingga menyebabkan peningkatan kerapatan muatan. Akumulasi muatan dapat disebabkan oleh peningkatan polarisasi pada antarmuka film bilayer melalui perbedaan besar dalam permitivitas atau konduktivitas antara PVDF dan film isolasi. Di sisi lain, kelompok kami menunjukkan efek film bilayer yang terdiri dari polimer dengan unit fluor yang berbeda dan lapisan isolasi polietilen tereftalat (PET) pada kinerja keluaran (Gbr. 4c) [53]. Khususnya, polimer terfluorinasi dengan tiga unit fluor dalam rantai samping (poli (2,2,2-trifluoroethyl methacrylate), PTF) dilapisi pada substrat PET dengan konstanta dielektrik yang lebih rendah, sehingga meningkatkan konstanta dielektrik, yang disebabkan oleh peningkatan polarisasi antarmuka pada antarmuka antara PTF semi-kristal dan PET. Akibatnya, PTF-PET menunjukkan kinerja triboelektrik yang lebih tinggi daripada film polimer berfluorinasi lainnya. Berdasarkan hasil yang disebutkan di atas, film multilayer dielektrik heterogen dapat menjadi desain yang kuat untuk meningkatkan kinerja triboelektrik perangkat fleksibel atau perangkat yang dapat dikenakan.
Performa triboelektrik ditingkatkan dengan polarisasi antarmuka dalam film polimer multilayer:a Nanogenerator triboelektrik yang terdiri dari lapisan ganda PVDF/PDMS dan lapisan ganda Nylon 6/PDMS dengan berbagai ketebalan interlayer PDMS (Diadaptasi dari Ref. [51]. Hak Cipta 2018 Elsevier). b Nanogenerator triboelektrik tanpa dan dengan PI sebagai lapisan transisi untuk penyimpanan muatan (Diadaptasi dari Referensi [52]. Hak Cipta 2017 Elsevier). c Bilayer triboelectric nanogenerator berdasarkan polimer terfluorinasi dengan berbagai jenis unit fluor (Direproduksi dari Referensi [53]. Hak Cipta 2018 Elsevier)
Polarisasi Ionik dalam Gel Polimer Ionik
Dalam matriks polimer termasuk komponen ionik kecuali ion pengotor, polarisasi ionik mendorong pembentukan lapisan ganda listrik (EDL) pada antarmuka antara elektrolit polimer dan elektroda, sehingga mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik [30, 39, 54]. Polarisasi sering digunakan dalam perangkat penyimpanan energi, seperti kapasitor (misalnya, superkapasitor atau kapasitor EDL) dan baterai [55]. Menurut persamaan Helmholtz, kapasitansi dapat dinyatakan sebagai C kε0/λ , di mana k , ε0, dan λ adalah konstanta dielektrik efektif dari EDL, permitivitas vakum, dan panjang penyaringan Debye (atau ketebalan lapisan ganda), masing-masing. Dalam perangkat triboelektrik, komponen ionik, seperti pasangan ion simetris atau asimetris dan cairan ionik, dalam bahan polimer sering digunakan. Karena poli(vinil alkohol) (PVA) adalah jenis bahan triboelektrik negatif karena gugus hidroksil pada tulang punggung polimer, ia dapat berinteraksi dengan berbagai jenis pasangan ion. Ketika medan listrik eksternal diterapkan, polarisasi ionik dapat terjadi karena perpindahan relatif antara ion positif dan negatif, sehingga berkontribusi pada pembentukan EDL pada antarmuka antara lapisan triboelektrik. Ryu dkk. [43] menyiapkan elektrolit polimer padat (SPE) berbasis PVA dengan ion simetris atau asimetris masing-masing sebagai lapisan triboelektrik positif atau negatif (Gbr. 5a). Setelah proses kontak dengan PVA murni, potensi permukaan yang berbeda secara sistematis diukur dengan efek berbagai jenis doping ionik. Misalnya, SPE menjadi bahan triboelektrik negatif atau positif setelah penambahan asam fosfat (H3 PO4 ) dengan lebih banyak kation daripada anion atau kalsium klorida (CaCl2 ) masing-masing dengan lebih banyak anion daripada kation, karena kation atau anion menciptakan keadaan bermuatan atau tidak terisi elektron tambahan. Secara praktis, ditunjukkan bahwa konduktor ionik yang terdiri dari PVA dengan larutan boraks atau poli(asilamida) dengan litium klorida diterapkan dalam aplikasi pemanenan energi biomekanik dan penginderaan taktil, yang meningkatkan kinerja triboelektrik melalui pembentukan EDL (Gbr. 5b) [41, 42, 56]. Demikian pula, Zou et al. [40] membuat nanogenerator bionik yang dapat diregangkan yang terdiri dari elastomer Ecoflex dan larutan natrium klorida (NaCl) yang terinspirasi oleh struktur saluran ion pada sitomembran elektrolit dalam belut listrik. Dengan menggabungkan efek triboelektrifikasi melalui cairan yang mengalir dan induksi elektrostatik melalui ion terpolarisasi, perangkat memanen energi mekanik dari gerakan manusia di bawah air dengan tegangan sirkuit terbuka lebih dari 10 V. Selanjutnya, Lee et al. [56] menyelidiki kinerja triboelektrik ketika nanogenerator terhubung ke unit gel ion yang terdiri dari cairan ionik dan poli (vinilidena fluorida-co-hexafluoropropylene), membuat profil tegangan yang luas dan lamban karena waktu relaksasi yang besar dari ion terpolarisasi. (Gbr. 5c). Perangkat triboelektrik berbasis gel ionik memungkinkan pembuatan perangkat yang dapat dipakai dengan sangat elastis, transparan, dan tahan air, meskipun perangkat tersebut harus dienkapsulasi oleh matriks elastomer untuk mencegah kebocoran ion.
Performa triboelektrik ditingkatkan dengan polarisasi ionik dalam gel polimer ionik:a SPE-triboelectric nanogenerator berdasarkan PVA dengan berbagai jenis ion (Direproduksi dengan izin dari Ref. [43]. Hak Cipta 2017 Wiley–VCH). b Nanogenerator triboelektrik seperti kulit lembut yang memungkinkan pemanenan energi biomekanik dan penginderaan taktil dengan menghibridisasi elastomer dan hidrogel ionik (PAAm-LiCl) masing-masing sebagai lapisan elektrifikasi dan elektroda (Direproduksi di bawah persyaratan lisensi CC-BY-NC 4.0. Ref. [41] Hak Cipta 2017, Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan). c Sistem triboelektrik-ion-gel, yang terdiri dari pembangkit nano triboelektrik dan unit gel ion (Direproduksi dari Referensi [56]. Hak Cipta 2018 Elsevier)
Polarisasi Dipolar dalam Derivatif PVDF Ferroelektrik
Polarisasi dipolar (orientasi) adalah strategi lain untuk meningkatkan konstanta dielektrik dengan kehilangan dielektrik yang rendah, yang disebabkan oleh peningkatan momen dipol melalui dipol yang selaras dalam struktur fase rantai polimer. Contoh umum adalah PVDF dan turunannya. Polimer memiliki momen dipol permanen sejak β . searah -fase terbentuk, menyebabkan peningkatan konstanta dielektrik dan kinerja triboelektrik yang dihasilkan. Cheon dkk. [37] mendemonstrasikan nanogenerator triboelektrik berkinerja tinggi berdasarkan serat nano komposit PVDF-perak nanowire (AgNW) (Gbr. 6a). Pengenalan AgNWs ke dalam PVDF meningkatkan rasio β -fase ke α -fase melalui interaksi antara AgNWs dan rantai molekul PVDF, sehingga menghasilkan konstanta dielektrik yang ditingkatkan, yang memungkinkan perangkap muatan pada lapisan dielektrik PVDF-AgNW. Selain sumber logam, Seung dkk. [38] memperkenalkan nanopartikel semikonduktor (BaTiO3 ) ke dalam matriks kopolimer feroelektrik (poli(vinylidenefluoride-trifluoroethylene), PVDF-TrFE) (Gbr. 6b). Performa triboelektrik meningkat secara signifikan setelah proses poling, yang lebih dari 150 kali lebih besar daripada nanogenerator triboelektrik berbasis polytetrafluorethylene pada umumnya. Berbeda dengan komposit polimer heterogen, kelompok kami baru-baru ini menunjukkan efek nanokomposit multilayer feroelektrik pada kinerja triboelektrik (Gbr. 6c) [57]. Film dielektrik berlapis-lapis yang terdiri dari PVDF-TrFE dan BaTiO3 bergantian lapisan menampilkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi (17,1) daripada film PVDF-TrFE murni (13,9) dan PVDF-TrFE/BaTiO tunggal3 nanokomposit (15.9) karena polarisasi antarmuka antara kopolimer dan lapisan nanopartikel, seperti yang dijelaskan pada bagian film dielektrik berlapis-lapis (Gbr. 4). Secara berurutan, kinerja keluaran triboelektrik meningkat dibandingkan dengan film satu lapis. Meskipun nanokomposit polimer feroelektrik meningkatkan kinerja keluaran triboelektrik karena peningkatan konstanta dielektrik melalui polarisasi feroelektrik yang tinggi, ada batasan dalam meningkatkan kinerja keluaran karena ambang perkolasi aditif.
Performa triboelektrik ditingkatkan dengan polarisasi dipolar dalam komposit PVDF feroelektrik:a Nanogenerator triboelektrik berdasarkan komposit PVDF–AgNW dan serat nano nilon yang disiapkan melalui metode electrospinning (Direproduksi dengan izin dari Ref. [37]. Hak Cipta 2018 Wiley–VCH). b Nanogenerator triboelektrik berbasis komposit feroelektrik (Direproduksi dengan izin dari Referensi [38]. Hak Cipta 2017 Wiley–VCH). c Nanogenerator triboelektrik berbasis PVDF-TrFE/BTO berlapis-lapis (Direproduksi dengan izin dari Referensi [57]. Hak Cipta 2020 American Chemical Society)
Di sisi lain, momen dipol dapat dimodifikasi dengan memasukkan molekul tunggal polar [58], seperti –CN, –NO2 , dan –SO2 –, atau polimer polar [59,60,61], termasuk polistirena, poli(2-hidroksietil metakrilat), dan poli(dopamin metakrilamida), yang memungkinkan rotasi dipol dalam volume bebas polimer, sehingga mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik. Polarisasi dipolar baru-baru ini digunakan untuk meningkatkan konstanta dielektrik bahan triboelektrik dengan mengikat gugus polar dengan momen dipol besar ke rantai samping polimer [22]; Lee dkk. menunjukkan bahwa kopolimer cangkok PVDF sangat meningkatkan kinerja keluaran triboelektrik (Gbr. 7). Poli(tert-butil akrilat) (PtBA) dengan rasio pencangkokan yang berbeda dimasukkan ke dalam rantai PVDF, yang mengarah pada peningkatan momen dipol oleh ikatan dan gugus ester kutub di PtBA, yang meningkatkan konstanta dielektrik dan selanjutnya kinerja keluaran triboelektrik. Selain polimer grafting, dielektrik polimer dengan domain berstruktur nano meningkatkan konstanta dielektrik dengan polarisabilitas orientasi 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. a 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.
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.
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.
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.
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.
