浙师大鄂世举教授/纳米能源所王中林院士 Nano Energy：高耐用性高输出性能的交流型介电弹性体发电机

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介电弹性体发电机（Dielectric elastomer generator, DEG）是一种基于介电弹性体材料与柔性电极材料所构成的可变电容型发电机。基于介电弹性体材料自身的特点及其在静态、半静态下具有的高的能量转换效率等性能优势，使其特别适合于低频和运动模式随机性强的能量收集领域，DEG具有以下明显优势：①具有极高的能量密度（>100 mJ/g）；②高拉伸、结构简单、体积小、质量轻，易于制作和安装，成本低。然而，传统的DEG研究中，需要数千伏的外接高压电源，其输出模式为直流脉冲输出模式，简单的说来传统的DEG就是将高压电源的电荷搬运到外接负载，即电荷的搬运工。为此，前期工作中，鄂世举教授团队开发了一种基于交流模式的无源化介电弹性体发电机（AC-DEG），该型发电机既摆脱了外接电源的限制和依赖，又保证了高的电学性能(相关成果发表于Advanced Science, 2022, 9(18): 220109)。为实现DEG的商业化，作为发电机的另外一个关键特性-耐疲劳性是必须解决的问题，相关研究甚少；制约相关研究难以推进的原因在于，由于传统DEG在保持高电学性能时，需要高的电压和大拉伸形变，进而很难提高的DEG的耐用性，既其性能与疲劳特性二者难以兼顾。

图1 基于交流模式介电弹性体发电机的工作原理

针对以上难题，鄂世举教授团队首先基于实验和理论研究发现，不同于传统DEG，AC-DEG的电学性能主要受五个结构参数影响，如图1所示。基于此，通过系统分析AC-DEG的结构参数与其电学性能（电能变化和电荷输出）的关系，建立其结构理论模型，以指导分析交流模式下电荷转移和发电机能量的变化。进而，基于系统调节和整体优化结构参数，以减小形变和电压、提高电容容量的方法成功实现了兼具高耐用性和高电学性能（111 mJ/g、电荷密度5.6 mC/m²、和能量转换效率高达51.8%）的AC-DEG研究。为验证AC-DEG的耐疲劳特性，分别进行了频率实用性（0.4-1.5Hz）测试、环境湿度稳定性测试、双85老化测试并在常规环境条件下100天以验证AC-DEG的稳定性和耐用性。在100万次的循环测试后，其能量密度变化和转移电荷量仍保持在100 mJ/g和4.6 mC/m²以上 。基于AC-DEG高的电学性能和耐用性，实现了无需外接有源能量管理电路即可为商用锂离子聚合电池（20-50 mAh）有效充电。

图2 a,b AC-DEG的频率适用性; c,d 湿度稳定性; e,f 双85老化测试前后性能; g 在常规环境条件下100天的稳定性; h 连续循环运行100万次性能变化;i 为商用锂离子聚合物电池充电

相关成果以“Fatigue-Resistant High-Performance Dielectric Elastomer Generator in Alternating Current Method”为题发表在国际权威期刊Nano Energy上。浙江师范大学工学院副教授徐子盛、研究生谭剑波、陈浩杰为共同第一作者；浙江师范大学鄂世举教授与中科院纳米能源所王中林教授为共同通讯作者，浙江师范大学为论文第一署名单位；中科院纳米能源所程廷海研究员和哈尔滨工业大学刘立武教授在研究工作中给予了大力支持。鄂世举教授团队针对该领域的研究始于2007年，目前获得5项国家自然科学基金、5项省部级项目、和1项市重点研发项目的连续支持，目前基于AC-DEG已开发了用以收集人体机械能、低速风能和波浪能的原型机。本研究工作的开展，向AC-DEG的商业化应用更进一步。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523001519

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