利用空气中的水分发电，电子皮肤越来越近
撰文 | Penn
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第193篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：澳大利亚科学家开发了一种灵活的自充电电池技术，该技术可从空气或皮肤表面的湿气中获取电能，并在几分钟内自行充电。基于此技术的电池可直接用于为电子产品和物联网 (IoT) 设备供电，未来在健身可穿戴设备和电子皮肤贴片市场具有巨大的应用潜力。
科幻小说中常常会出现这样的场景：每天清晨，与身体融为一体的电子皮肤会替代闹钟将你唤醒；刷牙时，电子皮肤发出指令，遥控厨房内的电器自动帮你烹饪早餐；早餐时，通过电子皮肤预约出租车，并实时发送路线图给司机。
电子皮肤，这种致力于模拟并超越人类皮肤功能的可穿戴柔性仿生传感器，可模仿人体皮肤对外界环境的感知，在健康监测、人机交互和机器感知等领域有着广阔的应用前景，但其在可拉伸性、可自愈性、自供电性、集成性和生物相容性有着极高的要求。
图说：柔性电子皮肤
来源：[2]
从环境中获取绿色能源在可穿戴和便携式电子产品的发展中发挥着至关重要的作用。最近，湿气发电机（MEG）由于来源多样、设备设置简单和化学转化绿色而在清洁能源收集方面引起了越来越多的关注。
据估计，地球上吸收的太阳能中有 50% 用于驱动水汽蒸发，因此如果我们能够使用 MEG 收获这种可再生能源并将其转化为电能，那将是非常有益的。
近日，澳大利亚公司 Strategic Element 与新南威尔士大学和 CSIRO 就合作开发了一种灵活的自充电电池技术，该技术可从空气或皮肤表面的湿气中获取电能并自行充电，从而可能消除对手动充电或有线电源的需求。基于此技术的电池可直接用于为电子产品和物联网 (IoT) 设备供电。这标志着着我们离科幻小说中能够从环境中获取绿色能源的电子皮肤又迈进了一步。
Strategic Elements 将这项技术称为“能源墨水（Energy Ink）”，并表示它不易燃，由安全、绿色和可持续的材料制成，并且可以打印到柔性塑料上。
Strategic Elements凭借这项技术在大约 10 分钟的测试时间内成功地从空气中的水分产生超过 4V 的输出，实现了一个重要的里程碑。该研究将为柔性电子产品的各种应用提供新的电子材料，并在节能数据存储系统方面取得重大进展。
图说：基于氧化石墨烯的 MEG 为电子设备供电的示意图
来源：[3]
01
技术原理
湿气发电机（MEG）通过基于氧的化学键从水分中吸收水分子，然后释放移动的离子以产生用于发电的分离电荷。目前，大多数高性能 MEG 都是用碳基材料制造的，碳基材料对环境友好且在地球上含量丰富，包括碳纳米管、碳纳米颗粒和氧化石墨烯(GO)。其中，氧化石墨烯由于其高比表面积、丰富的含氧基团、良好的机械性能和优异的吸湿性而在实现高效发电方面表现出了极大潜力。
图说：基于乙烯醇/氧化石墨烯的湿气发电MEG设备
来源：[3]
Strategic Element的这项自充电电池技术就是基于一种含有少量聚乙烯醇(PVA) 的酸化氧化石墨烯（GO）薄膜来开展湿气发电（MEG）应用。具有羟基和良好粘度的 PVA 不仅可以吸收水分子，而且可以提高薄膜对基板的附着力，从而提高器件的稳定性和电输出。因此，由于官能团的优化和酸化后薄膜电阻的降低，GO/PVA薄膜的电输出大大提高，为制备高稳定电输出的MEG提供了一种简便的方法。
湿气发电机（MEG）制备过程中将掺氟的氧化锡(FTO)玻璃用作基板/底电极。然后将 GO 分散体和 PVA 溶液以 1:1 的质量比（实现 GO/PVA 薄膜良好附着到基板上的最大比例）混合，然后在 50°C 下直接干燥到 FTO 玻璃上形成GO/PVA 薄膜功能层。GO / PVA薄膜的边缘被绝缘胶带覆盖以避免短路，并将Ag浆印刷到薄膜上作为顶部电极。
图说：施加到电池一侧的水分会导致 H+ 质子迁移到干侧，从而产生电荷分离
来源：[3]
当设备两侧之间存在显着的湿度梯度时，一侧开始从空气中吸收水分子，在此过程中将它们电离，这开始导致 COOH（羧酸）等官能团解离，从而积极释放带电的氢离子。功能层潮湿侧的水合氢浓度高于干燥侧，因此水合氢向干燥侧迁移，产生电荷分离并在电极处产生电压。如果潮湿一侧的水分被去除，水合氢分子会沿该方向迁移回来并与官能团重新结合。整个过程是由水分梯度的存在触发的，并且由于缺乏水分梯度而逆转。
02
能够为小型设备供电
目前，该公司已使用该自充电电池技术制造了100 多个约10-20 微米的极薄电池单元，这些原型电池在空气中使用水蒸气的自充电时间约为3 分钟。
在早期试验中，五个能源墨水电池单元成功地相互串联并放置在湿度为 75% 的测试室中（已知人体皮肤会产生的湿度水平可升高至 90%）进行了 5 小时的测试，电池组成功地维持了超过 4V 的开路电压输出，最高达到 4.4V。当湿度水平降低到大约55% 的测试期间，电压输出也保持在 4V 以上，且在测试期间，电压输出没有显示出退化的迹象。
通过使用盐酸处理过的多孔氧化石墨烯，该团队目前在每平方厘米表面产生了最大 0.85 V 和 92.8 μA 的电流，这是湿气发电机（MEG）的“迄今为止报告的最高值之一”。将这些单元串联或并联组装后，它们的输出不会有任何损失，从而能够为小型设备供电。
图说：（f）在室内湿度为RH=55%时，由一个MEG供电的商业压力传感器；(g)在RH=75%的情况下，由2个串联的MEG和20个并联的MEG驱动的工作计算器
来源：[3]
此外，为了证明其灵活性，研究人员在一块碳布上制造了一个电池，然后在一秒钟内将其从 0 度弯曲到 120 度，并重复该过程 2000 次。柔性 MEG 经过 2000 次弯曲后仍保持其初始最大电压的 93%，在柔性和可穿戴应用中显示出巨大潜力。
03
电子皮肤贴片市场有用武之地
Strategic Elements 目前已经拥有一个约 36 平方厘米（约 6 平方英寸）的防潮电池组。该公司将在未来几个月内尝试制造 100 平方厘米（15.5 平方英寸）的测试装置，并计划将材料工程与油墨配方优化，实现至少 1 升的大批量电池墨水的规模化生产，同时完成连接多个电池的成功原型试验。但是在未来发展中，这种技术仍面临着包括电池尺寸，在较低湿度水平下增加电流输出和演示设备开发等诸多挑战。
据IDTechEx的报告显示，具有模仿人体皮肤特性和环境感知能力的电子皮肤贴片行业在 2021 年创造了超过 100 亿美元的收入，预计到 2030 年将增长到近 300 亿美元。而此行业从环境中获取绿色能源的自供电性要求和人体皮肤较高的湿度水平使电子皮肤贴片领域自然适合Strategic Elements的电池技术在现实世界开展应用。
“不久前，许多人说不可能从水分中产生任何可用的能量，” 公司发言人在 ASX 监管发布中表示。“对我们来说，仅从空气中的湿度实现充电能力从毫安小时到安培小时的跨越是一项巨大的成就。我们的技术不依赖稀有材料，不存在安全风险，此外，还可以为电子产品提供灵活性。健身可穿戴设备和电子皮肤贴片市场将是我们近期的目标市场。”
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参考资料：
[1]https://newatlas.com/energy/strategic-elements-self-charging-battery/
[2]文怡.柔性电子皮肤未来大有可为[J].今日科技,2019(09):50-52.
[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522000271?via%3Dihub#fig0030
[4]王贵欣,裴志彬,叶长辉.自供能柔性氧化石墨烯湿度传感器的喷墨印刷制备及性能研究[J].无机材料学报,2019,34(01):114-120.
[5]马超,赵刚.电子皮肤研究进展：材料、功能与应用[J].中国科学技术大学学报,2021,51(10):725-746.
[6]孔霞,宋浩冉,宋佳音,管宗上,郭宗庆,路广.多维感知柔性电子皮肤的现状和发展[J/OL].材料导报,2022(11):1-17
[7]https://www.strategicelements.com.au/projects/self-charging-battery/
[8]https://www.advancedbatteriesresearch.com/articles/22942/sor-battery-ink-exceeds-4v-from-moisture-in-air
[9]https://www.autoevolution.com/news/self-charging-battery-uses-moisture-in-the-air-to-generate-electricity-189153.html#
[10]https://www.offgridenergyindependence.com/articles/26645/flexible-printed-batteries-generate-electricity-from-moisture
[11]https://www.inceptivemind.com/self-charging-battery-harvests-energy-humidity-air/24663/
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END
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