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浙大一项研究:纸上画出可以发电的发电机!

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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《纳米能源》(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。

让我们一起来还原这个绘画过程——首先取两张尺寸为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。

浙大一项研究:纸上画出可以发电的发电机!

图1. X形状纸基发电机的制作过程

在这之前,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。

直到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

以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。

这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。

浙大一项研究:纸上画出可以发电的发电机!

图2. X形纸基发电机的工作模式、制备材料、以及性能提升

第一种模式,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。”

第二种模式,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。

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图3. X形状纸基发电机及其堆叠结构的应用

科研人员介绍,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。

据介绍,用于海洋的纳米能源器件是浙江大学海洋电子与智能系统研究所的重要研究方向,该研究所由国家千人计划专家徐志伟教授于2016年1月领衔创立,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、智能系统以及用于海洋电子装备的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。

本研究由中央高校基金资助和国家自然科学基金资助(61674218、61731019)。研究人员感谢浙江大学动物科学实验教学中心所提供的扫描电镜表征。

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