摩擦电纳米发电机（TENGs）是一种很有前途的能量收集技术，近年来得到了迅速发展。然而，随着可穿戴电子设备的不断进步，人们对可持续、无需维护、可拉伸的电源提出了更高的要求。

近期，东华大学朱美芳教授团队联合阿米尔卡比尔理工大学Roohollah Bagherzadeh教授团队提出了一种新的策略，使用分层褶皱纳米纤维和电极来提高TENG所有组件的拉伸性。利用“吹气球”法获得了宏观、微观和纳米结构的弹簧褶皱纳米纤维尼龙6/6和分层褶皱PEDOT:PSS。此外，研究者还采用了一种预拉伸方法，使电极和摩擦电层同时起皱，包括杂化银纳米线-单壁碳纳米管（AgNWs-SWCNTs）和PET-Lycra。以纳米纤维尼龙6/6和PET-Lycra为摩擦电层，PEDOT:PSS和杂化AgNWs-SWCNTs为电极，制备了五种不同的TENGs，以比较褶皱电极和摩擦电层以及电极类型的影响。通过优化材料选择和结构设计，由“吹气球”法获得的褶皱尼龙6/6/PEDOT:PSS和预拉伸技术制备的褶皱PET-Lycra/AgNWs-SWCNTs组成的织物基褶皱可拉伸TENG（WS-TENG）具有最佳性能。此外，研究人员还研究了压力和频率对WS-TNEG开路电压的影响。评估了电阻对WS-TENG的电压、电流和功率密度的影响。该WS-TENG可用于收集手动敲击产生的电荷，并为电容器充电，从而为商用LED供电。研究表明，这种完全褶皱、可拉伸TENG能够有效收集低频的人体运动能量，并为电子设备供电。

图1.（a）褶皱PET-Lycra/AgNWs-SWCNTs的制备及其在WS-TENG中的应用。（b）褶皱PEDOT:PSS的制备及其在WS-TENG中的应用，（c）褶皱纳米纤维尼龙6/6的制备。

图2.（a）褶皱和无褶皱PEDOT:PSS薄膜之间区域的SEM图像。（b）无褶皱PEDOT:PSS薄膜的SEM图像。（c和d）分层褶皱PEDOT:PSS薄膜的SEM图像。（e和f）释放气球的空气之后在PEDOT:PSS膜上产生分层褶皱的光学照片。

图3.（a）无褶皱尼龙6/6、（b和c）分层宏观和微观褶皱尼龙6/6、（d-g）微观褶皱尼龙6/6以及（h和l）微观弹簧状褶皱尼龙6/6的SEM图像。

图4.（a）无褶皱尼龙6/6、（b）褶皱尼龙6/6和（c）弹簧褶皱尼龙6/6的相关分布分析。（d）释放气球的空气之后在电纺尼龙6/6上产生（I和II）分层褶皱的光学照片，以及（III）与气球分离之后在尼龙6/6上产生分层褶皱的照片。

图5.（a）无褶皱PET-Lycra/AgNWs-SWCNTs、（b）AgNWs-SWCNTs涂覆褶皱尼龙6/6和（c）AgNWs-SWCNTs涂覆预拉伸PET-Lycra以制备摩擦电极的光学照片。（d）无褶皱PET-Lycra/AgNWs-SWCNTs和（e）褶皱PET-Lycra/AgNWs-SWCNTs的光学显微镜图像。

图6.（a）所制备的WS-TENG的光学照片。（b-f）垂直接触-分离模式的WS-TENG的工作机制示意图。

图7.（a和b）所有制备的TENGs在1MΩ的外部电阻、1Hz的频率和1N的压力下的电气性能。（c）WS-TENG IV在不同频率和2N的压力下的开路电压。（d）WS-TENG IV在不同垂直力和1Hz的频率下的开路电压。（e）压力对TENG性能的影响示意图。

图8.（a）WS-TENG IV在5Hz的频率和10N的压力下的转移电荷。（b）WS-TENG IV的输出电流和电压对外部电阻的依赖性。（c）WS-TENG IV的输出功率密度对外部电阻的依赖性。（d）WS-TENG IV在10000次循环中的长期稳定性和耐久性测试。

图9.（a）完全可拉伸WS-TENG IV拉伸前后的光学照片。（b）由WS-TENG IV产生的电能点亮商用LED的光学照片。（c）WS-TENG IV为电容器充电并点亮商用LED的光学照片。（d）自充电系统的电路图。（e）WS-TENG IV以2Hz的频率为各种电容器充电的电压曲线。（f）WS-TENG IV用作一种可拉伸和可穿戴的TENG。

该工作以“Hierarchically spring nanofibrous and wrinkled-structured electrode for highly comfortable wearable triboelectric nanogenerators”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》（DOI:10.1039/d3ta04988d）上。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D3TA04988D