CN110358002A - 一种离子凝胶及离子凝胶基摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子凝胶及离子凝胶基摩擦纳米发电机，离子凝胶网络由聚合物之间相互物理作用及聚合物和离子液体相互物理作用构成。本发明由偶极‑偶极和离子‑偶极相互作用构成的离子凝胶网络表现出高拉伸性和离子电导率。离子凝胶构筑的I‑TENG具有高拉伸性，高透明度和良好的耐疲劳性，同时其电输出性能保持稳定至少1个月。I‑TENG在‑20至100℃的宽温度范围内保持高拉伸性和电输出性能，本发明的摩擦纳米发电机能够用于可穿戴电子，电子皮肤和人工智能等领域。

Description

一种离子凝胶及离子凝胶基摩擦纳米发电机

技术领域

本发明属于摩擦纳米发电机领域，特别涉及一种离子凝胶及离子凝胶基摩擦纳米发电机。

背景技术

新一代电子设备需要可拉伸性和柔软性以实现当今刚性电子设备无法实现的应用。这些应用的包括可穿戴电子设备，电子皮肤，软机器人等。相应地，对可拉伸和可持续电源的需求也变得尤为迫切。目前使用的电源主要为电化学电池，如锂离子电池和超级电容器。然而，这些电源大多数是刚性的并且缺乏自充电能力。此外，这些装置通常需要复杂的制造工艺。因此，开发柔软、可拉伸、制造简单的能量收集器将环境能量转化为电能具有重要意义。

摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)被报道可作为一种高效可持续的电源，将机械能转化为电能。目前，已经开发柔性TENG可以收集各种形式的机械能(包括人体运动的能量)，为新兴的可穿戴设备供电。特别地，柔软、可拉伸和透明的TENG是更进一步的需求，因为可穿戴设备要能够匹配柔软的人体组织，适应频繁的人体运动而不会降低设备性能，同时透明性有助于视觉信息的传输。通常，薄的电介质聚合物膜和导电膜(金属、碳材料、氧化铟锡等)分别作为摩擦层和电极用于构筑TENG。然而，用电子导体同时实现高透明度，导电性，可拉伸性和合适的柔软性仍然是一个重大挑战。可拉伸电子设备中使用电子导体的主要问题之一是变形时的电阻显着增加。例如，在100％应变下，银纳米线/聚氨酯弹性体复合材料的电阻增加了100倍以上(B.-U.Hwang,J.-H.Lee,T.Q.Trung,E.Roh,D.-I.Kim,S.-W.Kim,N.-E.Lee,Transparent stretchable self-poweredpatchable sensor platform with ultrasensitive recognition of humanactivities,ACS Nano 9(2015)8801-8810)。这种情况可能导致TENG在使用过程中性能不稳定甚至无法工作。

水凝胶具有柔软、可拉伸和高透明的性质。重要地，作为离子导体，水凝胶的电阻在拉伸时逐渐增加，其电阻率随应变的增量比电子导体的要小几个数量级。近来，离子导体水凝胶作为电极和电解质已经开发了一系列可拉伸功能电子器件，如应变传感器，致动器，超级电容器和TENG。

然而，水凝胶在应用中有两个主要缺点。首先是它们的保水能力差。随着水从水凝胶中蒸发，水凝胶的离子电导率和透明度会显着降低，最终导致性能降低，甚至丧失。尽管研究者通过封装、加入保湿剂和高度可水合的盐来减缓水分蒸发，但水凝胶的仍然不稳定。第二个缺点是应用的温度范围窄。在0℃以下，传统的水凝胶会结冰，变得僵硬并严重限制离子传输。在高温下，则会加速水分蒸发。总体而言，水凝胶电子器件的稳定性和耐温性受到限制，因此，水凝胶不适合在干燥，低温或高温环境中长期的应用。

离子凝胶作为离子导体，是一种水凝胶的良好的替代品。离子凝胶是由聚合物基质的三维(3D)网络和离子液体构成。离子液体具有稳定的电化学，热和化学性能，且不易燃和不挥发。离子液体的存在使得离子凝胶具有高导电性，而3D聚合物基质赋予其机械完整性。离子凝胶作为离子导体已经应用于电子领域。离子凝胶可以在干燥环境中使用而无需封装，即使在真空中也是如此。离子凝胶可以作为电子器件中的电极，而其不易燃性和可忽略的蒸气压的特点为其在高温下的使用提供了可能。此外，部分离子凝胶即使在-70℃也能保持高离子电导率。总的来说，离子凝胶由于其优异的性能可作为一种理想的电极材料。最近，Wang等人证明了使用离子凝胶构建摩擦纳米发电机的可行性(G.Zhao,Y.Zhang,N.Shi,Z.Liu,X.Zhang,M.Wu,C.Pan,H.Liu,L.Li,Z.L.Wang,Transparent and stretchabletriboelectric nanogenerator for self-powered tactile sensing,Nano Energy 59(2019)302-310.)。然而，报道的基于双网络的离子凝胶具有有限的拉伸性，最大伸长率为130％。此外，离子凝胶构建具有宽温度耐受性TENG的潜力尚未研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种离子凝胶及离子凝胶基摩擦纳米发电机，克服现有技术中离子凝胶的拉伸性能差温度耐受性差的缺陷，本发明中由偶极-偶极和离子-偶极相互作用构成的离子凝胶网络表现出高拉伸性(～800％)和离子电导率(1.1mScm^-1)。离子凝胶构筑的I-TENG具有高拉伸性和耐受性。

本发明的一种离子凝胶，其特征在于，所述离子凝胶网络由聚合物之间相互物理作用及聚合物和离子液体相互物理作用构成；其中聚合物为聚(DAMPS-co-丙烯酸酯类)。

其中聚合物为聚(DAMPS-co-X)，其结构式：

其中m、n的摩尔比为1:2-1:24。

所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺[EMI][DCA]，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐

[BMIm][BF₄]，1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[PMIm][BF₄]。

所述离子凝胶中离子液体的含量为40-85wt％，聚合物的含量为15-60wt％。

进一步，所述离子凝胶网络由DMAPS上的侧链两性离子官能团之间的偶极-偶极相互作用，以及离子液体中离子和离子化基团之间的离子-偶极相互作用构成。

本发明的一种离子凝胶的制备方法，包括：

将丙烯酸酯类单体、3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐DMAPS溶解在离子液体中，加入光引发剂，得到混合溶液，然后鼓入氮气并在真空室中将溶液抽真空，进行紫外光固化，即得离子凝胶。

上述制备方法的优选方式如下：

所述丙烯酸酯类单体为

中的一种或几种。

所述丙烯酸酯类单体、3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐DMAPS的质量比1:2–6:1，优选质量比为2:1–5:1。

所述离子液体用量为反应体系总量的40–85wt％。

光引发剂为单体质量总和(丙烯酸酯类单体和DMAPS)的0.1-1wt％，优选地为0.3-0.7wt％。

所述光引发剂为过硫酸铵APS或过硫酸钾KPS，优选光引发剂为APS。

所述紫外光固化为在254-365nm下固化10-40min。

本发明的一种所述方法制备的离子凝胶。

本发明的一种基于离子凝胶的摩擦纳米发电机，所述纳米发电机包括所述离子凝胶。

所述摩擦纳米发电机为离子凝胶设于聚二甲基硅氧烷PDMS膜之间；或者将两个离子凝胶膜用作电极并密封在PDMS膜内，光固化聚氨酯PU膜和PDMS膜分别用作摩擦电正极层和摩擦电负极层，中空的Eco-flex硅橡胶膜用于支撑和分离两个带电层。

本发明的一种所述摩擦纳米发电机的应用，如能够用于可穿戴电子，电子皮肤和人工智能等领域。

有益效果

(1)本发明的离子凝胶表现出高拉伸性(～800％)，和离子电导率(1.1mS cm^-1)机械强度，透明度和离子导电性，离子凝胶与聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜组成的I-TENG在10MΩ的负载电阻下具有1.3W m^-2的峰值输出功率，此外，I-TENG具有优异的高透明度(>90％)，抗疲劳(抗1000次100％拉伸)和耐久性能，其电输出性能能够至少稳定一个月，I-TENG可以从各种人体运动中收集机械能，并作为自供电的人体运动传感器。更重要的是，I-TENG在-20至100℃的宽温度范围内具有长期稳定的电输出性能和拉伸性能；

(2)本发明的I-TENG具有高拉伸性(>400％)，在-20至100℃的宽温度范围内显示出高透明度，可变形性，耐久性和稳定性，而这些都是下一代电源的理想特性；使用I-TENG展示了有效的生物机械能量收集和自供电生理监测，表明其在可穿戴电子设备、电子皮肤(E-skin)、软机器人和人工智能中的巨大潜力，此外，可拉伸，柔软和透明的离子凝胶作为理想电极和电解质材料用于其他电子设备(可拉伸超级电容器，软体感应驱动器，多功能传感器等)以适应各种恶劣的使用环境包括沙漠和雪原等。

附图说明

图1、I-TENG的设计和离子凝胶的表征：(a)三明治结构I-TENG示意图；(b)I-TENG和离子凝胶的紫外可见光谱；(c)I-TENG的透明性和不同的机械变形；(d)I-TENG电子皮肤共形地附着在手腕上的照片；(e)离子凝胶和I-TENG的单轴拉伸试验；

图2、I-TENG的工作机理和电输出性能：(a)单电极I-TENG的工作机理；(b)开路电压V_OC，(c)短路电流I_SC和转移电荷量Q(插图)；(d)不同接触面积对I-TENG输出电压的影响；(e)I-TENG的输出电流密度和功率密度随外部负载电阻的变化；(f)I-TENG超过7000次循环的耐久性；(g)1000次100％应变循环前后I-TENG的输出电压的比较，TENG处于初始状态和100％应变状态的照片(插图)；

图3、I-TENG的能量收集：(a)I-TENG点亮40盏绿色LED灯；(比例尺为2cm)(b)I-TENG为4.7μF，10μF，22μF和47μF商用电容器的充电曲线；(c)自充电系统的图片和等效电路，使用从I-TENG收集的能量来为电子表供电；(d)由I-TENG充电并为电子表供电的22μF电容器的电压-时间曲线；

图4、在30℃(a-d)或100℃(e-f)下相对湿度(RH)为30％的干燥环境中I-TENG与H-TENG相比的稳定性；(a)H-TENG和I-TENG的照片；(b)TENG中水或离子液体的含量随时间的变化；(c)I-TENG和(d)H-TENG在不同时间点的开路电压；(e)离子凝胶和I-TENG的质量随时间的变化；(f)I-TENG的开路电压和短路电流随时间的变化；

图5、水凝胶，离子凝胶和双电极I-TENG的低温耐受性照片：(a)水凝胶变成冰状固体，在-20℃时很容易破碎，而离子凝胶在-20℃时仍具有良好的拉伸性；(比例尺为2cm)(b)双电极I-TENG的示意图；在(c)室温和(d)-20℃下，在不同弯曲角度下双电极I-TENG的开路电压；

图6为离子凝胶和水凝胶的全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱图；

图7中(a)离子凝胶的光学图像；(b)原始的离子凝胶，受到不同的机械变形包括(c)拉伸，(d)折叠，(e)扭曲和(f)打结拉伸；

图8为离子凝胶的单轴拉伸试验；其中插图显示了处于初始状态和拉伸状态的离子凝胶的图像；(比例尺＝3cm)；其中lonogel 1、lonogel 2、lonogel 3分别表示相同配方的3个样条；图9单轴压缩试验中离子凝胶的应力-应变曲线；

图10离子凝胶在循环压缩试验中的应力-应变曲线；

图11离子凝胶的热重分析(a)；动态力学分析DMA图(b)；

图12离子凝胶的电阻随拉伸应变而变化图，其中插图显示了显示离子凝胶伸展的照片；

图13为离子凝胶薄膜在不同温度下的导电率保持率；

图14(a)用于评估I-TENG在(b)-20℃，(c)室温(R.T.)和(d)100℃通过手动操作的电输出性能的自制装置的结构图；(e)I-TENG在不同温度下的开路电压和短路电流。

图15为对撞设备图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMI][DCA]，≥98％)，3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐(DMAPS，95％)，丙烯酸(AA，99％)和过硫酸铵(APS，≥98％)均购自Sigma-Aldrich；

Sylgard 184购自天下贸易(天津)有限公司，并用作弹性体；

Ecoflex 00-20和光固化聚氨酯(EBECRYL 8413)分别购自Shanghai YejingChemical Technology Co.,Ltd和King Chemical；

紫外光固化机：UPP0404A，Uvata(Shanghai)Precision Optoelectronics Co.,Ltd。

衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱由Thermo Scientific Nicolet8700光谱仪测

试。使用Jasco V-630紫外-可见分光光度计 测量光学透射率。

通过MTS E42拉伸机(25N传感器)研究材料或器件的拉伸及压缩性能。拉伸测试样条为矩形状，宽约为15mm，厚约为1mm，试样标距约为20mm，拉伸速度均为100mm min^-1；压缩测试样品为四棱柱状，长为3mm，宽为3mm,试样标距约为10mm，压缩速度为20mm min^-1。

用CHI660E电化学工作站上记录离子凝胶的阻抗谱。

使用Mitsubishi Chemical MCP-T370四探针电阻测量仪来研究离子凝胶的电导率。

使用Keithley DMM7510系统静电计测量TENG的输出电压和电流。

用定制的对撞设备(如图15所示)控制频率为3Hz，测量TENG在不同相对湿度和温度下的电输出。

高温测试，将I-TENG置于100℃的烘箱中，并且每12h通过定制设备测量输出性能。

低温测试，将I-TENG或双电极离子凝胶基TENG用密封袋置于-20℃冰箱中30min，然

后用手拍打或用手指弯曲成不同角度。电容器的充电和放电过程记录在Keithley2657A

源表上。

对比例1

通过将质量比为4：1的AA和DMAPS单体溶解在水中，水占凝胶溶液(反应体系)的含量约为69.1wt％，加入相对于单体重量0.55wt％的APS作为光引发剂，通过鼓入氮气并在真空室中将溶液抽真空10min后，将溶液倒入石英玻璃模具中，通过紫外光固化机在365nm下将凝胶固化30分钟，得到水凝胶(Hydrogel)。

实施例1

通过将质量比为4：1的AA和DMAPS单体溶解在离子液体中，离子液体占凝胶溶液(反应体系)总质量的69.1wt％，加入相对于单体重量0.55wt％的APS作为光引发剂，通过鼓入氮气并在真空室中将溶液抽真空10min后，将溶液倒入石英玻璃模具中，通过紫外光固化机在365nm下将凝胶固化30min，得到离子凝胶(lonogel)。

通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)表征离子凝胶的结构，如图6所示；聚(DAMPS-co-AA)的红外光谱显示出其在1718cm^-1处的C＝O伸缩振动和在1042cm^-1处的SO₃ ^-对称伸缩振动峰。在2136-2242cm^-1处的C≡N伸缩振动峰和在～1569cm^-1处的咪唑环的骨架振动峰表明[EMI][DCA]被引入到聚(DAMPS-co-AA)基质中。

离子凝胶网络由DMAPS部分侧链两性离子官能团之间的偶极-偶极相互作用构成，因此，离子凝胶表现出良好的机械性能和高韧性，以承受各种大尺度的变形，例如拉伸，折叠，扭曲和打结拉伸而没有机械损伤，如图7所示；

离子凝胶的单轴拉伸试验如图8所示，离子凝胶具有高度伸缩性，最大伸长率为789±69％，拉伸强度为81.2±2.4kPa。

单轴压缩试验中离子凝胶的典型应力-应变曲线，如图9所示，在90％的压缩应变下，压缩应力达到3.9MPa；

离子凝胶在循环压缩试验中的典型应力-应变曲线，如图10所示，经过5个循环的应变高达80％的循环压缩试验表明，离子凝胶具有优异的弹性，可以从动态变形中快速恢复。

TGA结果显示，如图11(a)所示，离子凝胶在高达215℃的温度下稳定，热分解温度为279℃；动态力学分析(DMA)，如图11(b)所示，证明其离子凝胶3D网络在25至150℃的整个温度范围内都是稳定的。

对比例2

通过旋涂Sylgard 184的AB组分(质量比为10：1)的混合物，然后在100℃下固化1h，制备得到PDMS膜。用刀片将水凝胶和PDMS切成所需形状。通过用弹性体薄膜包裹和密封水凝胶(对比例1)构建H-TENG，将铝带连接到水凝胶上作为电输出接口。

实施例2

通过旋涂Sylgard 184的AB组分(质量比为10：1)的混合物，然后在100℃下固化1h，制备得到PDMS膜。

用刀片将离子凝胶和PDMS切成所需形状。通过用弹性体薄膜包裹和密封离子凝胶(实施例1)构建I-TENG，将铝带连接到离子凝胶上作为电输出接口。

I-TENG的设计采用了三明治式结构，如图1a所示。将离子凝胶密封在两个PDMS弹性体膜之间，其中铝带连接到离子凝胶上用于电输出连接口。离子-偶极相互作用的存在有助于室温下离子凝胶实现高离子电导率(1.1mS cm^-1)，离子凝胶电极的电阻随拉伸应变逐步增加，如图12所示，但增长速度很低，这种电阻的增加远小于MΩ级的TENG固有阻抗，因此对TENG的性能几乎没有负面影响。

将离子凝胶和PDMS膜的厚度分别约为1mm和210μm。最终的器件可以定制成任意的二维形状。1mm厚的离子凝胶和I-TENG在波长为500到800nm之间的透射率超过90％(图1b)；通过高度透明的I-TENG(如图1c)可以清楚地观察到覆盖整个可见光区域的“DHU”彩色字体，这有利于其在视觉信息传输的潜在应用。I-TENG能够很好地抵抗各种机械变形，包括折叠，卷曲和拉伸，没有任何可见的机械损坏(如图1c)。由于其薄的结构、可拉伸性和柔软性，所得到的器件可以共形地附着在手腕上并且可以适应手腕运动(如图1d)。通过单轴拉伸试验以评估I-TENG的机械性能。I-TENG表现出良好的拉伸性，最高可达407±27％，断裂伸长率为726.3±30.7kPa(图1e)。远高于双网络离子凝胶制成的TENG(参见G.Zhao,Y.Zhang,N.Shi,Z.Liu,X.Zhang,M.Wu,C.Pan,H.Liu,L.Li,Z.L.Wang,Transparent andstretchable triboelectric nanogenerator for self-powered tactile sensing,NanoEnergy 59(2019)302-310)，本发明有效地构建了基于离子凝胶的柔软，透明和可拉伸的I-TENG。

I-TENG基于单电极模式的摩擦起电和静电感应工作机理，如图2a所示。铝板/人体皮肤和PDMS膜分别作为摩擦带正电材料和摩擦带负电材料。当铝片/人体皮肤与I-TENG的PDMS膜接触时，在铝片/人体皮肤和PDMS膜的表面分别产生相同量的正电荷和负电荷。当两个表面分离时，PDMS膜表面上的未屏蔽的负电荷诱导PDMS-离子凝胶界面处的离子凝胶中的正电荷累积。同时，离子凝胶中的负电荷移动到离子凝胶-金属电极(Al带)界面，导致电双层形成。因此，电子从金属电极流到地面。当铝板/人体皮肤和PDMS膜的表面达到最大分离距离时，实现静电平衡。如果两个表面再次接近，则整个过程反转，电子从地面流到金属电极。因此，重复铝板/人体皮肤和I-TENG之间的接触分离过程将产生交流电流。

为了测量I-TENG的能量收集性能，选择铝片作为与I-TENG的接触分离运动的摩擦材料，并利用自制的对撞设备(如图15所示)在相对30％湿度的室温下进行测试。接触面积和外部电阻作为影响因素，研究了I-TENG在3Hz频率下的电输出性能。如图2b和图2c所示，当铝片面积为2.5×2.5cm时，I-TENG的开路电压、短路电流和转移电荷的峰值分别为117V，14.3μA和47nC。不同接触面积对I-TENG输出电压的影响，如图2d所示，I-TENG的电输出随着接触表面积的增加而增加。

在50％和100％应变下，I-TENG能够保持相似的电输出性能，其峰值电压分别为118V和120V。

外接电阻对I-TENG电性能的影响，如图2e所示，当外部电阻从1×10⁵增加到1×10⁹Ω，电流密度从24.3降至1.1mA m^-2；在约1×10⁷Ω的负载电阻下，I-TENG最大输出功率为约1.3W m^-2。

I-TENG具有优异的长期稳定性，在3Hz的频率下能够7000次以上的循环后保持稳定性能，如图2f所示。I-TENG显示出的稳定性能，在100％应变下1000个循环后，其峰值电压仍然保持在116V，表明其优异的拉伸性和耐久性如图2g所示。

I-TENG可用于收集机械能，特别是人体运动的能量。通过用手拍打透明的I-TENG，可以将40个串联的绿色发光二极管(LED)点亮，如图3a所示。

不同负载电容下的充电电压-时间关系如图3b所示，4.7μF，10μF，22μF和47μF的商用电容器可分别在约59s，125s，251s和764s内充电至3V。此外，将I-TENG和电容器组合以收集生物力学能量可以为便携式电子(运动手表)供电如图3c所示，用右手拍打I-TENG(频率约为2Hz)，其连接到桌面并用右手轻拍打，可以为22μF电容充电并为电子表供电(图3c)。最初，电容器的电压在265s内线性增加到3.1V，此时电容器能够为电子表供电(图3d)。随着I-TENG不断被拍打，电容器被充电重新回到3.1V。该实验表明该器件可以作为自供电且可持续的电子系统，在可变形，便携和可穿戴电子设备应用方面具有巨大潜力。

水凝胶的一个主要问题是随着时间的推移脱水，这会显着降低它们的离子电导率和机械弹性。基于具有相同尺寸的水凝胶(H-TENG，对比例2)和离子凝胶(I-TENG，实施例2)对TENG进行了抗蒸发测试。在PDMS膜上进行切口，并将TENG置于30℃和30％相对湿度下48h。H-TENG显着缩小、卷曲和变脆(图4a)；

TENG中水或离子液体的含量随时间的变化，如图4b所示，相比之下，即使在1个月后，I-TENG的外观也没有改变，H-TENG的质量在24h内迅速下降，而I-TENG的质量在1个月内几乎保持恒定，这是由于离子液体具有可忽略的蒸气压。

I-TENG的开路电压如图4c所示，峰值在大约120V下保持稳定至少一个月；H-TENG的开路电压峰值如图4d所示，由于水凝胶的脱水，在48内急剧下降至4V。

I-TENG在高温下的性能：在100℃时，I-TENG的少量的质量损失在最初的12小时(2.6±2.3％)，可能是由于吸收的水分蒸发，然后，质量几乎保持恒定，持续48小时。同时，I-TENG的电输出性能与原始状态保持一致。这种出色的抗蒸发性能确保了I-TENG在干燥和高温沙漠等恶劣环境中的性能。

水凝胶的另一个主要问题是在低温下结冰，这使得它们变得刚性且不透明，并且显着限制了离子传输。低温耐受性照片如图5a所示，当在-20℃下弯曲时，水凝胶容易破裂。相比之下，即使温度低至-20℃，I-TENG仍保持优异的拉伸性和透明性，因为离子液体[EMI][DCA]与PDMAPS链具有物理相互作用(离子-偶极相互作用)，抑制[EMI][DCA]的结晶过程，赋予离子凝胶良好的抗冻性。

离子液体([EMI][DCA])具有-57.3℃的低结晶温度(Tc)，而离子凝胶在-80℃至100℃没有结晶，离子凝胶可以在-20℃保持良好的导电性(图13)，这确保了I-TENG在低温下能够稳定地工作。

自制装置通过手动拍打评估I-TENG在-20℃下的电输出性能，如图14所示，I-TENG在-20℃，室温和100℃下具有相似的输出电压和电流。

此外，设计了一种基于离子凝胶的双电极TENG，以接触分离模式工作，以评估整个器件在低温下的性能，在-20℃和室温环境下观察到双电极I-TENG的类似性能(参见图5c和5d)；双电极I-TENG的多层结构如图5b所示。将两个离子凝胶膜用作电极并密封在PDMS膜内。光固化聚氨酯(PU)膜和PDMS膜分别用作摩擦电正极层和摩擦电负极层。中空的Eco-flex膜用于支撑和分离两个带电层。然后，PU和PDMS膜之间的接触分离过程将在两个离子凝胶膜之间产生交流电压。将双电机I-TENG放置于手肘部位作为自供电运动传感器，其峰值电压输出值随弯曲角度而变化，如图5c所示，随着弯曲角度增加(60°，90°和135°)，电压输出从0.7V增加到3.2V，这可能是由于PDMS和PU之间的接触面积增加。

Claims (11)

1.一种离子凝胶，其特征在于，所述离子凝胶网络由聚合物之间相互物理作用及聚合物和离子液体相互物理作用构成；其中聚合物为聚(DAMPS-co-丙烯酸酯类)。

2.根据权利要求1所述离子凝胶，其特征在于，

所述聚(DAMPS-co-丙烯酸酯类)的结构式为：

其中m、n摩尔比为1:2-1:24；

离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺[EMI][DCA]，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[BMIm][BF₄]，1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[PMIm][BF₄]中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述离子凝胶，其特征在于，所述离子凝胶中离子液体的含量为40-85wt％，聚合物的含量为15-60wt％。

4.一种离子凝胶的制备方法，包括：

将丙烯酸酯类单体、3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐DMAPS溶解在离子液体中，加入光引发剂，得到混合溶液，然后鼓入氮气并在真空室中将溶液抽真空，进行紫外光固化，即得离子凝胶。

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述丙烯酸酯类单体为中的一种或几种；光引发剂为过硫酸铵APS或过硫酸钾KPS。

6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述丙烯酸酯类单体、DMAPS的质量比为1:2-6:1；离子液体用量为反应体系的40-85wt％；光引发剂加入量为丙烯酸酯类单体和DMAPS总和的0.1-1wt％。

7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述紫外光固化为在254–365nm下固化10-40min。

8.一种权利要求4所述方法制备的离子凝胶。

9.一种基于权利要求1所述离子凝胶的摩擦纳米发电机。

10.根据权利要求9所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为离子凝胶设于聚二甲基硅氧烷PDMS膜之间；或者将两个离子凝胶膜用作电极并密封在PDMS膜内，光固化聚氨酯PU膜和PDMS膜分别用作摩擦电正极层和摩擦电负极层，中空的硅橡胶膜用于支撑和分离两个带电层。

11.一种权利要求9所述摩擦纳米发电机的应用。