浙大研制出可收集人体运动能的高效摩擦纳米发电机
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
来源：杭州新闻、学术帮
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