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浙大研制出可收集人体运动能的高效摩擦纳米发电机
2018-07-03  来源:中国聚合物网

  无论是手机还是笔记本电脑,这些便携式电子设备都已成为人们生活的必备工具。这些物品的快速发展,得益于可再生和环保的电池为这些设备供电。随着运动手环等更加轻巧的可穿戴设备的风靡,为它们持续提供高效、清洁和可持续的电能是亟需解决的难题。

  近日,浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所朱智源博士研究小组,研发了一种新型的X型高效摩擦纳米发电机,具有结构简单、体积小、成本低、以及可收集人体运动能等诸多特点。这项研究发表在著名期刊《Nano Energy》上。

  论文第一作者为浙江大学海洋学院2017级船舶与海洋工程专业硕士研究生夏克泉,通讯作者为青年教师朱智源博士,共同作者包括2014级海洋工程与技术专业本科生杜超林与2014级船舶与海洋工程专业本科生王容基

用笔画出一个发电机

  在该研究工作中,研究人员提出了一种新颖的纸基摩擦纳米发电机(XP-TENG),并可通过商业画笔将签字笔油墨勾勒在纸上形成电极。

  先取两张尺寸为3cm×9cm的纸片,在纸片的一侧切割出两条平行的缝隙用以嵌合器件。接着用画笔将签字笔墨均匀的涂抹在纸片的表面,然后放置2分钟使得油墨在纸的表面固化形成电极,取其中一张纸片,在电极表面贴上特氟龙胶带,然后将其中一张纸片折成“π”形状,另外一张折成“倒π”形状。最后两个器件通过缝隙嵌合到一起,便形成了X形状的纸基发电机。

  这之前,摩擦纳米发电机(TENG)作为一种智能绿色器件已经被科学家所研发。“摩擦纳米发电机最具吸引力的特征是能把各种机械运动转换为电能,如人行走,人眼运动和车辆运动等。”遗憾的是,摩擦纳米发电机多数加工方法成本过高、工艺复杂,很难实现大规模的生产。

  到2013年,王中林院士课题组创新性的提出了一种纸基TENG,大大降低了制作成本;2017年,张晓升教授等用铅笔在纸上绘出导电石墨层作为TENG的导电电极,进一步简化了制作工艺,推动了纸基柔性能源器件的发展。

  朱智源表示,当纸基材被弯曲和导电电极表面被划伤时,签字笔油墨层的表面电阻比铅笔绘制的石墨层的薄层电阻更稳定。这种优异的性能表明,与铅笔石墨层相比,油墨层具有更长的使用寿命,更适合复杂的使用环境。

X形状的妙用

  前的研究报道了多种结构,包括拱形结构,V形结构和菱形结构。然而,以往的结构大多只具有单一的工作模式,因此限制了TENG的实际应用并且使器件效率下降。因此,在这项工作中,研究人员提出了一种新颖的采用了切纸和折纸的组合式架构的X形状纸基摩擦纳米发电机。

  种新的形状本身带有6对摩擦电极,进而将6个摩擦副集成到到一个X形状纸基摩擦纳米发电机。这一特殊的结构可提供两种工作模式,拓展了摩擦纳米发电机的应用范围。

  一种模式,基于常规的接触-分离模型。采取多个堆叠结构的X形状纸基摩擦纳米发电机,可以进一步提升堆叠结构的电流输出性能。科研人员通过实验发现,在手按压下具备四个工作单元的堆叠X形状纸基摩擦纳米发电机,产生的输出能够直接点亮工作电压为3.4V的101个串联高功率蓝光LED。“当然为了防止电流相互抵消,我们还会在结构中采用多个全波桥独立连接的优化手段,使得电流朝着一个方向运动。”

  二种模式,可以有效地从人体运动中收集机械能。比如收集人肘运动机械能,或者将X形状纸基摩擦纳米发电机放在书包中,收集人走路时产生的振动机械能等。

  研人员介绍,X形状纸基摩擦纳米发电机能够适应湿度环境,具有在海洋环境下工作的潜力,在船舶电子系统供能方面有潜在应用。“未来,潜水员的探照灯或许可以通过人体自身的运动机械能发亮,同时这种发电原理或许还可以运用到救生中。”朱智源说。

  介绍,该研究小组隶属于浙江大学海洋电子与智能系统研究所,重点关注以信息科学与海洋物理为学科交叉的基础研究,包括海洋信息电子以及新能源新材料新器件。此次利用简易的商用材料制备了结构简单、体积小、重量轻、低成本、作用速度快的供能器件,在摩擦纳米发电机研究上取得突破,为用于海洋的自主便携电子系统持续供能提供了新的思路。

  这个发电设备,每平方厘米,最高可以发电1毫瓦。这样,3cm乘以3cm的设备,可以发电10毫瓦,这已经可以勉强支撑我们蓝牙设备连接时候的用电了。

  接下来,科学家们研究的方向,将侧重于发电装置的持续稳定供电,这样可以让这个设备尽快投入实际使用中去。

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518304142

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(责任编辑:xu)
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