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柔软管状摩擦纳米发电机收集人体运动能,持续供电可穿戴电子设备
王强 2016-10-07
导语

可穿戴电子产品发展迅速,但目前主要采用传统电池供电,由此带来电池频繁充电以及更换/处理等问题。对此,王中林院士团队提出了一种兼具可穿戴、可水洗和高输出特性的能量系统方案,可直接收集人体各种运动能并能够持续不断地为可穿戴电子设备提供能量。

可穿戴电子产品如智能织物、健康和运动监测产品等发展迅速并且受到越来越多的关注。虽然科技发展已经使得电子产品的能量消耗逐渐降低,电池的能量输出逐渐提高,但是目前的可穿戴电子产品仍然主要采用传统电池供电并且不具备自充电功能,由此带来电池的频繁充电以及更换/处理等问题。

将能量收集器件与能量存储器件集成一个自充电系统,利用收集人体运动的能量给可穿戴电子产品供电是解决上述问题的最具前景的一种途径。

2012年,美国佐治亚理工学院、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林教授发明了摩擦纳米发电机,它可直接收集周围环境中的无处不在随时发生的各种机械能,如旋转、敲击、弯曲以及伸缩等运动,为电子器件的可持续供电提供了一种切实可行的解决方案。然而,目前的可穿戴纳米发电机输出功率常常不足以实时驱动大部分可穿戴电子器件,特别是难以同时达到可穿戴,可水洗和高输出的要求。  

针对上述问题,在王中林院士的带领下,由王杰博士、李胜明博士生、衣芳博士等组成的科研团队提出了一种兼具可穿戴、可水洗和高输出特性的能量系统方案,它可直接收集人体的各种运动能并且能够持续不断地为可穿戴电子设备提供能量。该研究成果近日发表于最新一期的《自然-通讯》期刊。

图1 新型管状摩擦纳米发电机的结构与应用。摩擦纳米发电机的结构示意图(a),其中i:内电极,ii:介电层,iii:外电极,iv:封装层。用该纳米发电机构建的“能量鞋垫”(b),用该纳米发电机构建的“能量鞋”(c),“能量鞋”将走路时或跑步时的生物机械能转化为电能可持续驱动电子手表(d)或健身跟踪器(e)。 

这种可持续供电功能的实现得益于所研发的具有高能量收集效率的可穿戴摩擦纳米发电机,它主要由两个部分组成:一部分是介电层及其外电极形成一个空心管;另一部分是带状式的内电极,它与空心管的内壁直接相连并沿管轴方向呈螺旋状结构。介电层由硅橡胶材料做成,该材料有着强烈的得电子趋势并在各个维度拥有良好的柔性和可伸缩性,发电机内外两电极均由硅橡胶、碳黑和碳纳米管的混合物做成。碳黑对导电起主要作用,碳纳米管为电极带来的纳米结构增大了发电机的摩擦接触面积,硅橡胶带来的柔性接触与螺旋电极带来的碎片化接触有效地提高了摩擦接触效率。

这种可穿戴摩擦纳米发电机兼具柔性、弹性、可编织、可水洗、高稳定性以及低成本等优点,并且表现出优异的发电性能,可以将压、拉、弯和扭等运动有效地转化为电能。它可量化加工,粗细可调,以满足各种需求。当它与超级电容器或电池组成自充电能量系统后,可安装在鞋底或编织在衣服上使用,直接采集人体的手势、步行和慢跑中的运动机械能,从而能够持续不断的驱动各种可穿戴电子设备,如电子手表和健身跟踪器等,并且额外的能量可储存于超级电容器或者电池中,以备人体休息时可继续驱动可穿戴电子设备。

文章链接:

Jie Wang, et al, "Sustainably powering wearable electronics solely by biomechanical energy," Nature Communications 7, Article number: 12744 (2016), doi:10.1038/ncomms12744

王中林院士简介:

王教授现是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授,工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任,中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王教授已当选为中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。他是世界上在材料和纳米技术论文引用次数最多的前五位作者之一。王教授在当今世界最杰出的科学家排名榜上第25名。

研究方向:纳米能源技术和自驱动纳系统技术;压电电子学和压电光电子学;氧化锌纳米材料的合成、表征、生长机理和应用。

本文信息来源:中科院北京纳米能源与系统研究所;)

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  • 摩擦纳米发电机
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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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