基于激光诱导石墨烯电极的柔性纸基摩擦纳米发电机

摘要

为缓解传统能源稀缺带来的压力，同时减少能源开发和消耗过程中对环境的危害，采用激光直写技术，瞬态烧蚀牛皮卡纸，一步制备激光诱导石墨烯（laser induced graphene,LIG）电极，在LIG电极上旋涂硅橡胶（Ecoflex）形成摩擦负电层，制备单电极柔性纸基摩擦纳米发电机（card paper-triboelectric nanogenerator,CP-TENG）。分析扫描速率、激光功率等激光扫描参数和摩擦负电层厚度对于摩擦纳米发电性能的影响规律，确定最佳工艺参数；为进一步提高输出性能，采用折纸结构设计，制备了多单元结构CP-TENG。结果表明：激光扫描速率为15 cm/s、扫描功率为3.6 W、摩擦负电层厚度为0.9 mm时，所制备的单电极CP-TENG实现了高性能输出，在负载频率10 Hz、负载力10 N条件下CP-TENG开路电压峰-峰值可达61.8 V，在负载力提高到16 N时开路电压峰-峰值最高可达97.1 V，负载电阻为18 MΩ时输出功率为47.8μW；单电极CP-TENG能够承受多种弯曲折叠变形且性能稳定，经历1 000次折叠后其LIG方阻仅从初始的16Ω/sq微增至18Ω/sq，依然具有良好的输出性能；多单元结构CP-TENG的输出性能进一步提升，当摩擦单元数量从1个递增至6个时，开路电压峰-峰值由41 V提升至188 V；与编织结构相比，啮合结构的多单元CP-TENG输出性能更好，开路电压最高可达389 V；将单电极CP-TENG贴附于人体关节部位，可实现人体关节位姿的自供能监测力。

关键词

纸基摩擦纳米发电机 / 激光诱导石墨烯 / 多单元折纸结构 / 人体关节监测