DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105599

作为智能电子设备的一种很有前途的可持续电源，摩擦电纳米发电机（TENG）受到了人们的广泛关注。近年来，研究人员正致力于寻求多种策略以提高其输出性能。但是，这些用于优化摩擦电材料的方法大多集中在化学成分调制或表面微结构的制备上。在这项工作中，考虑到上述两个方面，研究者提出了一种利用石墨烯纳米片结合静电纺丝技术构建高性能聚偏氟乙烯（PVDF）基TENGs的有效策略。因此，PVDF/G NF-PA6 TENG具有优异的摩擦电性能，其输出电压约为1511V，短路电流密度为189 mA m-2，最大功率密度约为130.2 W m-2，比PVDF-PA6 TENG高出近八倍。此外，在阻抗匹配条件下，PVDF/G-PA6 TENG每个循环可收集约74.13μJ的能量，平均输出功率密度为926.65 mW m-2。研究表明，石墨烯的成分调制和通过静电纺丝制备的纳米纤维结构均有助于提高PVDF/GNF薄膜的摩擦电性能。这项工作为同时优化摩擦电材料的化学成分和表面微观结构提供了一种有效的策略，使TENGs的输出性能得到了显著改善，并进一步促进了TENGs的广泛应用。

图1.PVDF/G-PA6 TENG的设计和制备示意图。（a）所制备TENG装置的3D示意图和（b）照片。（c）旋涂和电纺PVDF/G杂化膜的制备过程。（d）PA6，PVDF/G和PVDF/G NF膜的SEM图像。

图2.电纺PVDF/G纳米纤维的微观结构表征。（a）电纺PVDF/G纳米纤维的SEM图像，（b）X射线衍射图和（c）FT-IR光谱，其中G NSs浓度为0至2.0wt％。

图3.PVDF/G NF-PA6和PVDF/G-PA6 TENGs的电气输出特性。（a）PVDF/G-PA6 TENGs的输出电压，（b）短路电流密度和（c）最大输出电压、电流密度和转移电荷密度，其中石墨烯纳米片含量从0wt％至2.0wt％不等。（d）平面PVDF/G-PA6 TENGs的输出电压，（e）短路电流密度和（f）最大输出电压、电流密度和转移电荷密度，其中石墨烯纳米片含量从0wt％至2.0wt％不等。（g）PVDF-PA6（PVDF膜），PVDF/1.5wt％G-PA6（PVDF/G膜），PVDF NF-PA6（PVDF NF），PVDF/1.5wt％G NF-PA6（PVDF/G NF）TENGs的短路电流和（h）瞬时功率密度，外部负载电阻范围为0.1至1000MΩ。（i）在阻抗匹配条件（R=200MΩ）下，四种TENGs在一个周期内的输出功率。

图4.在不同工作条件下，PVDF/1.5wt％G NF-PA6 TENGs的电输出特性。（a）输出电压，（b）在10N至90N不同接触力下的短路电流密度和输出电荷密度。（c）输出电压，（d）在1Hz至9Hz不同工作频率下的短路电流密度和输出电荷密度。（e）输出电压，（f）在3mm至7mm不同间隔距离下的短路电流密度和输出电荷密度。

图5.PVDF/G NF-PA6 TENG的工作机制。（a）PVDF/G NF-PA6 TENG操作机构的示意图。（b）TENG在一个工作周期内的短路电流信号。（c）TENG电极在开路条件下的电位分布，由COMSOL模拟不同分隔距离。

图6.光滑PVDF/xwt％G（x=0、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0）薄膜的KPFM表征，以及基于纯PVDF薄膜的TENGs的摩擦电输出特性。（a）具有不同浓度石墨烯纳米片的旋涂PVDF/xwt％G膜的KPFM图像和（b）VCPD。（c）由纯PVDF薄膜作为正摩擦层和包括PVDF/1.5wt％G膜（PVDF/G）、纯PVDF NF和PVDF/1.5wt％G NF（PVDF/G NF）薄膜的不同负摩擦层组成的TENGs的输出电荷密度，（d）电压和（e）短路电流密度，左半部分为正向连接，右半部分为反向连接。

图7.20×20mm2 PVDF/G NF-PA6 TENG作为电源的应用。（a）一个PVDF/G NF-PA6 TENG以5Hz的工作频率运行80,000个周期的稳定性，（b）前十个周期和最后十个周期的输出电压，以及（c）该TENG在周边环境中存储一个月的耐久性。（d）带外部道路的整流电路配置。（e）TENG的整流输出直接点亮了180个白色LEDs。（f）由PVDF/G NF-PA6 TENG在5Hz的工作频率下充电的不同电容器（80μF，107μF，227μF，337μF和477μF）。（e）由PVDF/G NF-PA6 TENG在5Hz的工作频率下驱动的不带内置电池的商用计算器。