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    行走的發電機,超薄發電設備

    發布時間:2017-08-07

     


       設想一下,一件號稱“智能外套”的衣服里嵌著一顆顆堅硬的電池塊,那這種可穿戴不如稱作“可背戴”了。所以,柔性可隨意彎曲的電池一直被視為可穿戴設備的救星。想象一下,如果當你走路,揮手,甚至坐著的時候,只要你穿上夾克、襯衫或裙子,就會給你的手機、可穿戴智能設備或者其他電子設備帶來電力,會不會顯得非???。


    最近,范德堡大學納米材料和能源設備實驗室開發了一種新型超薄能量收集系統,這個系統非常有潛力做到這一點。它們的系統基于電池技術,由幾層厚的黑磷層制成,這種新裝置即使在人體以極低頻率運動時,也會產生少量的電力。


    “未來,我希望我們能直接從運動和環境中獲取能量,以此成為我們個人設備的充電站,”負責這項研究的機械工程助理教授Cary Pint說。


    這個全新的能量收集系統發表在journal ACS Energy Letters雜志上,題為 “采用二維黑磷片的超低頻電化學機械應變能量采集器”。


    在范德堡大學的機械和生物醫學工程助理教授Karl Zelik,是一位在生物力學方面的專家,他說:“這項新研究出現的非常及時,令人興奮,目前可穿戴設備,如外骨骼和智能服裝的研究,都可能得益于Pint博士在材料和能源收集方面所做的研究?!?


    目前,為了有效的利用我們周圍的能源,科研人員進行了大量的研究。這些研究包括從振動和變形中提取能量的機械裝置;針對溫度變化來提取能量的熱設備;從光,無線電波和其他形式的輻射中捕獲能量的輻射能量設備,以及電化學器件開發的生化反應。


    Pint說:“相比于其他方法,我們從人類的運動中獲得能量,對此,有兩個基本的優勢,一是我們的材料只有原子厚度,這可以小到不影響紡織品織物的外觀和觸感,另外,在人體運動低于10赫茲時,它仍然可以從運動中獲取能量?!?


    博士生Nitin Muralidharan和Mengya Li共同努力測試這個新設備。博爾特,是我們在地球上看到的最快的人。但他也僅僅以5赫茲的頻率運動,Muralidharan說。


    從這種低頻運動中提取有用的能量已被證明是極具挑戰性的。例如,一些研究小組正在開發基于壓電材料的能量采集器,這種設備能將機械能轉化為電能。然而,在頻率超過100赫茲的情況下,這些材料通常工作得******。這意味著它們不適合任何人類微小的運動,所以即使在******條件下,它們的效率也達不到理論的5-10%。


    Pint說:“我們的收集器安放在一個理想的設備中,以超過25%的效率運行,最重要的是,它可以通過緩慢的人體運動獲得能量,例如當我們坐著或站著?!?


    范德堡大學實驗室的超薄能量采集器基于先進的電池系統研究。在過去的3年里,研究小組探索了電池材料對彎曲和拉伸的基本反應。他們是第一個用實驗證明電池材料置于壓力下電壓的變化。在拉伸下,電壓上升,在壓縮下,電壓下降。


    這個研究小組與機械工程副教授Greg Walker進行了合作,他用計算機模型驗證鋰電池材料的觀察結果。該研究結果6月27日發表在ACS雜志上,題為“納米鋰電池電極的機械化學現象?!?


    這些觀察結果促使Pint的團隊用同一種材料制成電池的正負極。雖然這么做會妨礙設備儲存能量,但這種方式可以充分利用彎曲引起的電壓變化,從而產生大量的電流作為人體運動的響應。


    范德堡大學實驗室的初步研究在2016年發表。他們的靈感來自于麻省理工學院一個研究小組的突破,這個小組用硅和鋰制作了一個郵票大小的裝置,通過Pint和他的團隊研究的的系統獲取能量。


    對此,范德堡大學的研究人員決定,通過使用用黑色磷片,使系統盡可能薄,由于黑磷誘人的電學,光學和電化學性能,黑磷材料已成為二維材料研究界的******寵兒。


    由于收集器的基本構件大約是人頭發厚度的1/5000,工程師們可以使他們的設備在特定的應用場合下變得薄或者厚。他們發現,彎曲他們的原型器件可以產生高達40毫瓦每平方英尺的能量,當頻率低至0.01Hz,產生的能量可以剛好維持電流的產生。


    研究人員承認,他們面臨一個很大的挑戰,那就是他們的設備產生的電壓相對較低,僅僅是在毫伏范圍。然而,他們正在應用他們的專業知識提高電壓。他們也在探索LCD顯示器這樣的電子元件的設計,因為LCD的工作電壓低于正常電壓。


    Pint說:“同行評審者針對我們的論文提出了安全問題,當然,這并不是什么問題。當正負電極短路時,電池通常會著火,從而點燃電解液。因為我們的收集器有兩個相同的電極,所以短路只會抑制設備的能量消耗。如果你把它放在噴燈上,我們的設備將會起火,這顯然是真的,通過使用固態電解質,我們可以消除這個問題?!?


    這種技術將會使電氣化的服飾更具現實意義。它可以為帶有液晶顯示器的衣服進行充電,讓佩戴者的的衣服改變顏色,并且還可以改變智能手機刷卡的方式。Pint說:“我們已經在衡量一個中等大小的LCD顯示屏的性能要求,研究團隊正在將性能提升到我們所穿衣服的厚度和面積的要求?!?


    Pint還認為他們的設備在電力系統之外有潛在的應用前景。當我們的設備融入衣服時,我們的設備可以將人體運動轉化為高靈敏度的電信號,從而提供我們的運動記錄。在三個維度上跟蹤我們衣服的動作,這個技術可以和虛擬現實技術結合在一起,未來非常有潛力?!?


    范德堡大學的博士生,Rachel Carter,目前在海軍研究實驗室工作,他和機械工程本科學生Nicholas Galioto一起協助這項研究,這項研究由美國國家科學基金會和范德堡大學共同資助。


     
     
     

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