Dispositivos triboelétricos de alto desempenho via polarização dielétrica:Uma revisão

Resumo

Dispositivos de coleta de energia baseados no efeito triboelétrico têm atraído grande atenção por causa de seu desempenho de saída superior em comparação com outros nanogeradores, que têm sido utilizados em várias aplicações vestíveis. Com base no mecanismo de trabalho, o desempenho triboelétrico é principalmente proporcional à densidade de carga superficial dos materiais triboelétricos. Várias abordagens, como a modificação do grupo funcional da superfície e a composição dielétrica dos materiais triboelétricos, têm sido empregadas para aumentar a densidade de carga da superfície, levando a melhorias nos desempenhos triboelétricos. Notavelmente, o ajuste das propriedades dielétricas de materiais triboelétricos pode aumentar significativamente a densidade de carga superficial porque a carga superficial é proporcional à permissividade relativa do material triboelétrico. A constante dielétrica relativa é modificada pela polarização dielétrica, como polarização eletrônica, vibracional (ou atômica), de orientação (ou dipolar), iônica e interfacial. Portanto, tal polarização representa um fator crítico para a melhoria da constante dielétrica e conseqüente desempenho triboelétrico. Nesta revisão, resumimos as descobertas recentes sobre a melhoria do desempenho triboelétrico por meio de polarização dielétrica aprimorada.

Introdução

Dispositivos piezoelétricos, piroelétricos e triboelétricos têm atraído grande atenção como dispositivos de captação de energia para geração de energia em ambientes próximos, como água, vento, luz, temperatura e vibração [1]. Além das fontes de energia, esses dispositivos podem ser usados como sensores autoalimentados para aplicações variadas, como skins eletrônicos, dispositivos de monitoramento de saúde e robótica [2]. Entre eles, os dispositivos triboelétricos exibem desempenhos de saída relativamente mais elevados quando um par de materiais triboelétricos são contatados [3,4,5,6]. Os sinais triboelétricos produzidos podem ser usados para operar dispositivos elétricos diretamente [7,8,9,10,11] ou monitorar os estímulos mecânicos ou químicos nos dispositivos [4]. Os dispositivos triboelétricos podem ser simplesmente projetados para a fabricação simples, baixo custo, excelente desempenho de saída e flexibilidade quando comparados com outras tecnologias, que são vantajosas para aplicações vestíveis com alimentação própria [12].

Triboeletricidade ocorre devido à eletrificação de contato e indução eletrostática entre materiais triboelétricos diferentes. O contato mecânico induz as cargas opostas compensadas em cada camada triboelétrica devido à eletrificação do contato, e a separação mecânica resulta no fluxo de corrente através do circuito externo por causa da indução eletrostática. Portanto, o desempenho da saída triboelétrica é diretamente afetado pelas cargas superficiais nas camadas triboelétricas.

Para desempenhos de alta saída triboelétrica, a geração eficiente de carga superficial durante a eletrificação de contato e a transferência efetiva de carga durante a indução eletrostática são necessárias. Portanto, é crucial selecionar materiais de pares de contato triboelétricos adequados e projetar estruturas de dispositivo ideais. Com base em seu mecanismo de trabalho, quatro tipos diferentes de dispositivos triboelétricos consistindo de materiais dielétricos como camadas triboelétricas foram relatados [5]. Existem duas categorias de dispositivos triboelétricos com base nos tipos de materiais de pares de contatos triboelétricos:dispositivos com modo de contato dielétrico para dielétrico e condutor para dielétrico (Fig. 1a) [13]. No primeiro, duas placas dielétricas, com espessuras d ₁ e d ₂ , bem como constantes dielétricas relativas ε _{r, 1} e ε _{r, 2} , respectivamente, são empilhadas face a face como camadas triboelétricas e as camadas de eletrodo são depositadas na superfície dielétrica externa. A distância ( x ) entre as duas camadas triboelétricas é variado sob uma força mecânica periódica.

Dispositivo triboelétrico baseado em dielétrico e polarização dielétrica: a Modelos teóricos para modos de contato de placa paralela e diagrama de circuito equivalente para TENG dielétrico para dielétrico e condutor para dielétrico (Reproduzido da Ref. [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). b Real ( ε ') e parte imaginária ( ε ") da constante dielétrica em função da frequência em um polímero com mecanismos de polarização interfacial, orientacional, iônico e eletrônico (reproduzido com permissão da Ref. [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Posteriormente, as superfícies da camada triboelétrica contatadas têm cargas superficiais opostas, mas a mesma densidade ( σ ) por meio de eletrificação de contato. Quando as camadas triboelétricas começam a se separar umas das outras devido ao aumento da distância, uma diferença de potencial ( V ) é induzida entre os dois eletrodos pelas quantidades de cargas positivas / negativas transferidas (+ Q / –Q ) Da mesma forma, no modo de contato condutor-dielétrico sem a camada dielétrica 1, o metal 1 é usado como a camada triboelétrica superior e o eletrodo superior. Nesta estrutura de dispositivo, existem duas partes de cargas no metal 1:as cargas triboelétricas (\ (S \ times \ sigma \)) e as cargas transferidas entre os dois eletrodos ( –Q ), levando a (\ (S \ sigma - Q \)) das cargas totais no metal 1. Considerando os dispositivos triboelétricos de modo de contato mencionados acima, o desempenho de saída pode ser derivado com base na eletrodinâmica da seguinte forma [13]:
$$ V =- \ frac {Q} {{S \ varepsilon_ {0}}} \ left ({d_ {0} + x \ left (t \ right)} \ right) + \ frac {\ sigma x \ left (t \ direita)} {{\ varepsilon_ {0}}} $$ (1) $$ \ begin {alinhado} &V _ {{{\ text {OC}}}} =\ frac {\ sigma \ cdot x \ left (t \ right)} {{\ varepsilon_ {0}}}, \ quad {} I _ {{{\ text {SC}}}} =\ frac {{{\ text {d}} Q_ {SC}}} {{{\ text {d}} t}}, \\ &{} Q _ {{{\ text {SC}}}} =\ frac {S \ sigma x \ left (t \ right)} {{d_ { 0} + x \ left (t \ right)}}, \ quad {} d_ {0} =\ mathop \ sum \ limits_ {i =1} ^ {n} \ frac {{d_ {i}}} {{ \ varejpsilon_ {r, i}}} {} \ end {alinhado} $$ (2)
A espessura dielétrica efetiva d ₀ é definido como a soma de todas as espessuras do dielétrico d _i dividido por sua permissividade relativa ε _{r, i} . Com base na Eq. 2, o desempenho triboelétrico é diretamente afetado pela densidade de carga superficial (\ (\ sigma \)) das camadas dielétricas.

Anteriormente, foi relatado que a modificação da superfície de materiais triboelétricos ou a introdução de materiais altamente dielétricos aumentava a densidade de carga da superfície. A modificação da superfície, como o controle da morfologia da superfície [14,15,16,17] ou a introdução de íons carregados [18,19,20,21], aumenta a densidade de carga da superfície, ampliando a área de superfície ou polaridade triboelétrica entre os triboelétricos camadas de pares. Além de ajustar a propriedade da superfície, um aumento na constante dielétrica pode aumentar a capacitância da camada dielétrica, resultando assim em um aumento na densidade de carga superficial [6, 22, 23]. Em um modelo de capacitor de placa paralela, a densidade de carga superficial pode ser relacionada à capacitância da camada dielétrica da seguinte forma [23,24,25]:
$$ \ sigma =\ frac {CV} S, \ quad C =\ frac {S \ varejpsilon \ varejpsilon_0} d $$ (3)
onde C e S indicar a capacitância e a área de contato, respectivamente. Da Eq. 3, uma vez que a capacitância ( C ), que é um fator capaz de melhorar a densidade de carga superficial em um dispositivo triboelétrico de modo de contato dielétrico [6], aumenta com a constante dielétrica e / ou a redução na espessura da camada dielétrica, a densidade de carga superficial é diretamente proporcional a a razão da constante dielétrica para a espessura ( ε / d ) Da mesma forma, no dispositivo triboelétrico, a capacitância da camada tribo-dielétrica pode ser expressa a partir da Eq. 2 como:
$$ C =\ frac {Q_ \ text {SC}} {V_ \ text {OC}} =\ frac {\ varepsilon_0S} {d_0 + x \ left (t \ right)} $$ (4)
Por exemplo, o uso de uma camada dielétrica porosa em um dispositivo triboelétrico é uma maneira eficiente de aumentar significativamente o ε / d razão aumentando simultaneamente a constante dielétrica e diminuindo a espessura quando a camada dielétrica é pressionada sob pressão externa, aumentando significativamente a densidade de carga superficial [17, 23, 26, 27], mesmo quando as mesmas camadas triboelétricas são usadas. Portanto, a constante dielétrica da camada triboelétrica é um fator eficaz para melhorar a densidade de carga superficial melhor do que o potencial de superfície determinado pela seleção de materiais do par triboelétrico.

Embora a constante dielétrica de um material triboelétrico seja um fator importante no aprimoramento do desempenho triboelétrico, não houve discussões abrangentes sobre os princípios e estratégias para aumentar a constante dielétrica. Anteriormente, várias análises excelentes sobre dispositivos triboelétricos, incluindo materiais triboelétricos e seus mecanismos de trabalho, foram relatadas [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; no entanto, apenas alguns estudos sobre dispositivos triboelétricos induzidos por dielétricos foram relatados até o momento. Aqui, apresentamos os fundamentos da polarização dielétrica e demonstramos que os desempenhos de saída dos dispositivos triboelétricos podem ser significativamente controlados e aprimorados pelo projeto de materiais dielétricos com polarização dielétrica controlada.

Polarização dielétrica para desempenho triboelétrico aprimorado

A constante dielétrica (ou permissividade relativa) é definida como um fator pelo qual o campo elétrico aplicado é diminuído por meio da polarização dielétrica de materiais, que pode ser aprimorada por materiais dielétricos de engenharia por meio da introdução de aditivos dielétricos ou da modificação de estruturas químicas, levando assim a vários fenômenos dielétricos. A polarização dielétrica pode ser dividida em polarização eletrônica, vibracional (ou atômica), orientacional (ou dipolar), iônica e interfacial (Fig. 1b) [30,31,32,33]. As polarizações eletrônicas e atômicas são induzidas pela distorção de elétrons negativos e núcleos positivos em um átomo em direção oposta ao campo elétrico externo, adquirindo momentos de dipolo elétrico, que ocorrem no regime de ressonância acima das frequências infravermelhas (> 100 GHz). Como os materiais baseados em polarização, como semicondutores, não apresentam perda dielétrica abaixo de 1 GHz, são os mais desejados para aplicações práticas que variam de alguns Hz a 1 GHz. No entanto, a maioria dos polímeros orgânicos exibe constantes dielétricas mais baixas (<10) do que os materiais semicondutores devido à natureza intrínseca de sua ligação molecular, que não pode induzir à polarização eletrônica e atômica. Para induzir ainda mais as polarizações eletrônicas e atômicas nos polímeros, as estruturas da cadeia polimérica devem envolver átomos maiores com elétrons polarizáveis, como Si, Ge ou Sn, do que as composições de polímeros básicos [34,35,36]. Embora polímeros à base de Si, como polissiloxanos ou seus derivados, sejam sintetizados, a constante dielétrica não é maior que 3-4. Portanto, é difícil aumentar a polarização eletrônica / atômica em polímeros isolantes.

Em polímeros, enquanto as polarizações eletrônicas e atômicas são limitadas a aumentar a constante dielétrica por causa da estrutura de ligação molecular intrínseca, as outras polarizações dipolares, iônicas e interfaciais podem ser utilizadas para melhorar a constante dielétrica. A polarização dipolar (orientação) é causada pela reorientação de momentos dipolares moleculares permanentes nos polímeros ou nanocompósitos, incluindo nanopartículas ou porções dipolares, que é afetada pelas estruturas de fase (amorfa ou cristalina), temperatura e frequência (geralmente <10 MHz) [ 32, 33]. A modificação das estruturas dipolares permite a preparação de vidros dipolares, polímeros ferroelétricos e relaxores ferroelétricos [30]. Por exemplo, a orientação dipolo de derivados de fluoreto de polivinilideno (PVDF) leva à formação de um β -fase, aumentando assim a constante dielétrica, o que melhora o desempenho triboelétrico [37, 38]. A polarização iônica pode ser causada por deslocamentos relativos entre íons carregados positivamente e negativamente sob uma força externa [30, 39]. Portanto, polímeros com componentes iônicos podem ser usados para melhorar o desempenho capacitivo por meio da polarização iônica. Por exemplo, os componentes iônicos (por exemplo, NaCl e LiCl) em hidrogéis são polarizados sob um campo externo, levando à formação de camadas duplas elétricas, o que resulta na melhoria do desempenho triboelétrico [40,41,42,43]. A polarização interfacial é induzida pela reorganização das cargas espaciais nas interfaces em compósitos dielétricos [30, 31]. Portanto, a polarização interfacial é observável em todos os sistemas dielétricos multicomponentes, incluindo polímeros semicristalinos, misturas de polímeros ou nanocompósitos com alto- k - ou nanofillers condutores. Recentemente, nanocompósitos de polímero com alta- k nanopartículas, que melhoram a constante dielétrica líquida, levando ao aumento da densidade de carga superficial e, portanto, do desempenho triboelétrico, têm sido utilizadas em dispositivos triboelétricos [23, 44, 45]. Nas seções a seguir, apresentamos alguns exemplos para demonstrar o aprimoramento do desempenho da saída triboelétrica por meio de um aumento na constante dielétrica.

Polarização interfacial em compostos de nanopartículas / polímeros de alta permissividade

Nanopartículas de alta permissividade são utilizadas para melhorar as constantes dielétricas de nanocompósitos de polímero devido à polarização na interface entre o polímero e as nanopartículas. Porque inorgânico (por exemplo, titanato de bário (BaTiO ₃ ) nanopartículas e nanofios) ou condutores (por exemplo, nanopartículas de metal, nanotubos de carbono e grafeno) nanomateriais são amplamente empregados em matrizes de polímero para aumentar a constante dielétrica líquida, compósitos de polímero com vários aditivos têm constantes dielétricas mais altas do que polímeros de base, levando a uma melhoria desempenhos triboelétricos. Chen et al. preparou um filme de polidimetilsiloxano tipo esponja (PDMS), incluindo alto- k nanopartículas (SiO ₂ , TiO ₂ , BaTiO ₃ , e SrTiO ₃ ), para melhorar o desempenho triboelétrico (Fig. 2a) [23]. Porque SrTiO ₃ exibe maior permissividade do que os outros, PDMS com SrTiO ₃ exibe uma constante dielétrica mais alta. Isso também pode ser causado pela polarização de carga espacial na interface entre o PDMS e SrTiO ₃ partículas. Notavelmente, o desempenho da saída triboelétrica é melhorado pelo aumento na capacitância através do aumento de ε _r / d _PDMS durante o processo de contato. Além de nanopartículas dielétricas, diferentes tipos de materiais de alta permissividade, como BaTiO dopado com Al ₃ e CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , são aplicados nas camadas triboelétricas, levando a uma constante dielétrica aprimorada e o desempenho triboelétrico resultante (Fig. 2b) [44, 45]. Por outro lado, a adição de materiais condutores permite a formação de estruturas de micro-capacitores na matriz polimérica, que podem induzir o acúmulo de carga espacial na interface entre a matriz polimérica e os aditivos. Este tipo de polarização interfacial é causado pela maior diferença de condutividade entre o polímero e os aditivos condutores.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização interfacial em compósitos de nanopartículas / polímeros de alta permissividade: a Nanopartícula dielétrica / esponja Nanogerador triboelétrico baseado em compósito PDMS (reproduzido com permissão da Ref. [23]. Copyright 2016 American Chemical Society). b Nanogerador triboelétrico em modo de separação de contato com P (VDF-TrFE) e filmes compostos de partículas dielétricas de alta PDMS como camadas de atrito (reproduzido da Ref. [45]. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

Portanto, compósitos poliméricos com metais ou materiais à base de carbono exibem constantes dielétricas aumentadas em comparação com polímeros puros, levando ao aumento da densidade de carga superficial e ao desempenho triboelétrico resultante (Fig. 3) [6, 46]. Embora compósitos poliméricos de alta permissividade sejam amplamente usados como materiais negativos triboelétricos, existem algumas limitações em relação à melhoria do desempenho de saída:(1) Há uma proporção otimizada de aditivos na matriz polimérica porque aditivos excessivos causam corrente de fuga [46, 48] ou área de atrito superficial reduzida [23, 49], resultando assim em uma diminuição no desempenho de saída. (2) Os aditivos devem ser homogeneamente dispersos na matriz polimérica para melhorar a polarização interfacial, pois as nanopartículas agregadas interrompem a polarização interfacial por meio da redução da área interfacial entre o polímero e as nanopartículas.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização interfacial em compostos de polímero com metais ou materiais à base de carbono: a Nanogerador triboelétrico baseado em composto GPs @ PDMS (Reproduzido da Ref. [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). b Nanogerador triboelétrico baseado em inclusão de metal líquido com pilhas dielétricas em sanduíche (reproduzido da Ref. [48]. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

Polarização interfacial em filmes de polímero multicamadas

Para compósitos de nanopartículas / polímeros de fase aleatória, a polarização interfacial é difícil de controlar porque é necessário controlar com precisão a quantidade e a dispersão das nanopartículas [30]. Em dielétricos multicamadas, a polarização interfacial pode ser facilmente controlada porque todas as interfaces são perpendiculares ao campo elétrico, resultando em acúmulo de carga espacial uniforme nas interfaces multicamadas e constante dielétrica aprimorada. Polímeros dielétricos multicamadas têm sido amplamente investigados para aumentar sua constante dielétrica via polarização interfacial entre camadas de polímero dissimilares [50]. A polarização interfacial ocorre quando as cargas espaciais (elétrons e íons) são acumuladas na interface entre dois materiais diferentes com grandes contrastes em permissividade e condutividade elétrica sob um campo externo [30]. Kim et al. [51] e Feng et al. [52] demonstraram o efeito de filmes de bicamada com uma diferença maior na permissividade relativa no desempenho da saída triboelétrica (Fig. 4a, b). A adição de camadas dielétricas inferiores entre a camada condutora e o eletrodo causa retenção ou armazenamento de carga no filme dielétrico, levando assim a um aumento da densidade de carga. O acúmulo de carga pode ser causado pelo aumento da polarização na interface dos filmes de bicamada por meio da grande diferença na permissividade ou condutividade entre PVDF e filmes isolantes. Por outro lado, nosso grupo demonstrou o efeito de um filme de bicamada constituído de polímeros com diferentes unidades de flúor e camadas isolantes de polietileno tereftalato (PET) no desempenho de saída (Fig. 4c) [53]. Notavelmente, os polímeros fluorados com três unidades de flúor na cadeia lateral (poli (2,2,2-trifluoroetil metacrilato), PTF) são revestidos em substratos de PET com uma constante dielétrica mais baixa, aumentando assim a constante dielétrica, que é causada pela melhoria polarização interfacial na interface entre o PTF semicristalino e o PET. Consequentemente, o PTF – PET exibiu um desempenho triboelétrico mais alto do que os outros filmes de polímero fluorado. Com base nos resultados mencionados acima, os filmes dielétricos de multicamadas heterogêneos podem ser um design robusto para melhorar o desempenho triboelétrico de dispositivos flexíveis ou vestíveis.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização interfacial em filmes poliméricos de multicamadas: a Nanogerador triboelétrico consistindo de camada dupla de PVDF / PDMS e camada dupla de Nylon 6 / PDMS com várias espessuras de interlayer de PDMS (Adaptado da Ref. [51]. Copyright 2018 Elsevier). b Nanogerador triboelétrico sem e com PI como camada de transição para armazenamento de carga (Adaptado da Ref. [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Nanogerador triboelétrico bicamada baseado em polímeros fluorados com diferentes tipos de unidades de flúor (reproduzido da Ref. [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarização iônica em géis de polímero iônico

Na matriz de polímero, incluindo os componentes iônicos, exceto íons de impureza, a polarização iônica promove a formação de uma camada dupla elétrica (EDL) na interface entre o eletrólito do polímero e o eletrodo, levando assim ao aumento da constante dielétrica [30, 39, 54]. A polarização é frequentemente utilizada em dispositivos de armazenamento de energia, como capacitores (por exemplo, supercapacitores ou capacitores EDL) e baterias [55]. De acordo com a equação de Helmholtz, a capacitância pode ser expressa como C ≈ kε ₀ / λ , onde k , ε ₀ , e λ são a constante dielétrica efetiva do EDL, a permissividade do vácuo e o comprimento da triagem de Debye (ou a espessura da camada dupla), respectivamente. Em um dispositivo triboelétrico, componentes iônicos, como pares de íons simétricos ou assimétricos e líquidos iônicos, em materiais poliméricos são frequentemente empregados. Como o poli (álcool vinílico) (PVA) é um tipo de material triboelétrico negativo por causa dos grupos hidroxila na estrutura do polímero, ele pode interagir com diferentes tipos de pares de íons. Quando um campo elétrico externo é aplicado, a polarização iônica pode ocorrer devido aos deslocamentos relativos entre os íons positivos e negativos, contribuindo assim para a formação de EDL na interface entre as camadas triboelétricas. Ryu et al. [43] prepararam eletrólitos de polímero sólido (SPEs) à base de PVA com íons simétricos ou assimétricos como camadas triboelétricas positivas ou negativas, respectivamente (Fig. 5a). Após o processo de contato com o PVA puro, diferentes potenciais de superfície foram sistematicamente medidos pelo efeito de diferentes tipos de dopagem iônica. Por exemplo, os SPEs tornam-se materiais triboelétricos negativos ou positivos após a adição de ácido fosfórico (H ₃ PO ₄ ) com mais cátions do que ânions ou cloreto de cálcio (CaCl ₂ ) com mais ânions do que cátions, respectivamente, porque os cátions ou ânions criam estados adicionais de elétrons carregados ou desocupados. Praticamente, é mostrado que um condutor iônico consistindo de PVA com solução de bórax ou poli (acilamida) com cloreto de lítio é aplicado na coleta de energia biomecânica e aplicações de detecção tátil, o que aumenta o desempenho triboelétrico através da formação de EDL (Fig. 5b) [41, 42, 56]. Da mesma forma, Zou et al. [40] fabricaram um nanogerador biônico elástico consistindo de uma solução de elastômero Ecoflex e cloreto de sódio (NaCl) inspirada na estrutura dos canais iônicos na citomembrana do eletrólito em uma enguia elétrica. Ao combinar os efeitos da triboeletrificação através do fluxo de líquido e da indução eletrostática através de íons polarizados, o dispositivo coleta energia mecânica do movimento humano subaquático com uma tensão de circuito aberto acima de 10 V. Além disso, Lee et al. [56] investigaram o desempenho triboelétrico quando um nanogerador foi conectado a uma unidade de gel iônico composta de um líquido iônico e poli (fluoreto de vinilideno-co-hexafluoropropileno), fazendo um perfil de voltagem amplo e lento devido ao grande tempo de relaxamento dos íons polarizados (Fig. 5c). Dispositivos triboelétricos baseados em gel iônico permitem a fabricação de dispositivos vestíveis ultrastretchable, transparentes e à prova d'água, embora os dispositivos devam ser encapsulados pela matriz elastomérica para evitar vazamento de íons.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização iônica em um gel de polímero iônico: a Nanogerador triboelétrico SPE baseado em PVA com diferentes tipos de íons (reproduzido com permissão da Ref. [43]. Copyright 2017 Wiley – VCH). b Nanogerador triboelétrico semelhante a uma pele macia que permite a coleta de energia biomecânica e a detecção tátil por meio da hibridização de elastômero e hidrogel iônico (PAAm-LiCl) como a camada de eletrificação e o eletrodo, respectivamente (reproduzido sob os termos da licença CC-BY-NC 4.0. . [41]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science). c Sistema triboelétrico íon-gel, que consiste no nanogerador triboelétrico e nas unidades de íon gel (Reproduzido da Ref. [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarização Dipolar em Derivados Ferroelétricos de PVDF

A polarização dipolar (orientacional) é outra estratégia para aumentar a constante dielétrica com baixa perda dielétrica, que é causada pelo aumento do momento de dipolo através dos dipolos alinhados nas estruturas de fase das cadeias poliméricas. Exemplos típicos são PVDF e seus derivados. Os polímeros têm momentos de dipolo permanentes desde o unidirecional β -fase é formada, levando a um aumento na constante dielétrica e o desempenho triboelétrico resultante. Cheon et al. [37] demonstraram nanogeradores triboelétricos de alto desempenho baseados em nanofibras compostas de nanofibras de nanofio de prata PVDF (AgNW) (Fig. 6a). A introdução de AgNWs em PVDF aumenta a proporção de β -fase para o α - fase através da interação entre AgNWs e cadeias moleculares de PVDF, resultando assim em uma constante dielétrica melhorada, que permite o aprisionamento de carga na camada dielétrica PVDF-AgNW. Além das fontes de metal, Seung et al . [38] introduziu nanopartículas semicondutoras (BaTiO ₃ ) em uma matriz de copolímero ferroelétrico (poli (vinilidenefluoreto-trifluoroetileno), PVDF-TrFE) (Fig. 6b). O desempenho triboelétrico é significativamente aprimorado após o processo de poling, que é mais de 150 vezes maior do que os nanogeradores triboelétricos baseados em politetrafluoretileno típicos. Ao contrário dos compósitos poliméricos heterogêneos, nosso grupo demonstrou recentemente o efeito dos nanocompósitos ferroelétricos de multicamadas no desempenho triboelétrico (Fig. 6c) [57]. Os filmes dielétricos multicamadas consistindo em PVDF-TrFE alternado e BaTiO ₃ camadas exibem uma constante dielétrica mais alta (17,1) do que o filme PVDF-TrFE puro (13.9) e PVDF-TrFE / BaTiO único ₃ nanocompósito (15.9) por causa da polarização interfacial entre as camadas de copolímero e nanopartículas, conforme explicado na seção sobre o filme dielétrico multicamadas (Fig. 4). Sequencialmente, o desempenho da saída triboelétrica aumenta em comparação com os filmes de camada única. Embora os nanocompósitos de polímero ferroelétrico melhorem o desempenho de saída triboelétrica devido ao aumento da constante dielétrica por meio da alta polarização ferroelétrica, há uma limitação no aumento do desempenho de saída devido ao limite de percolação dos aditivos.

Desempenhos triboelétricos aumentados pela polarização dipolar em compósitos PVDF ferroelétricos: a Nanogerador triboelétrico baseado no compósito PVDF-AgNW e nanofibras de náilon preparadas através de métodos de eletrofiação (reproduzido com permissão da Ref. [37]. Copyright 2018 Wiley-VCH). b Nanogerador triboelétrico baseado em compósito ferroelétrico (reproduzido com permissão da Ref. [38]. Copyright 2017 Wiley – VCH). c Nanogerador triboelétrico baseado em PVDF-TrFE / BTO multicamadas (reproduzido com permissão da Ref. [57]. Copyright 2020 American Chemical Society)

Por outro lado, o momento dipolar pode ser modificado pela introdução de moléculas polares únicas [58], como –CN, –NO ₂ , e –SO ₂ -, ou polímeros polares [59,60,61], incluindo poliestireno, poli (2-hidroxietil metacrilato) e poli (dopamina metacrilamida), que permitem a rotação de dipolos no volume livre de polímeros, levando assim a uma melhoria na a constante dielétrica. Polarização dipolar tem sido recentemente utilizada para aumentar a constante dielétrica de materiais triboelétricos anexando grupos polares com grandes momentos de dipolo à cadeia lateral de polímeros [22]; Lee et al. demonstraram que o copolímero de enxerto de PVDF aumentou notavelmente o desempenho de saída triboelétrica (Fig. 7). Poli (terc-butil acrilato) (PtBA) com diferentes razões de enxerto foi introduzido na cadeia de PVDF, levando a um momento de dipolo aprimorado por ligação π e grupos éster polares em PtBA, o que melhorou a constante dielétrica e, subsequentemente, o desempenho de saída triboelétrica. Além do polímero de enxerto, os dielétricos do polímero com domínios nanoestruturados aumentam a constante dielétrica por polarizabilidade 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. 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.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

Abreviações

EDL:: Electric double layer
PDMS:: Polydimethylsiloxane
PET:: Polyethylene terephthalate
PtBA:: Poly(tert-butyl acrylate)
PTF:: Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)
PVA:: Poly(vinyl alcohol)
PVDF:: Fluoreto de polivinilideno
SPE:: Solid polymer electrolyte

Síntese in situ de nanopartículas de prata em fibra de poliacrilonitrila enxertada amino e sua atividade antibacteriana Simulação e análise de desempenho do biossensor TFET com comporta dupla de fonte modulada por dielétrico

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias