新知 | 机械能转换电能新突破：拉伸纱线就能发电

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碳中和领域的《新青年》  

撰文 | Sueyl

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第352篇原创

当前，全球对可再生能源的需求持续增长，大量将环境中的机械能转换为电能的研究不断涌现。比如风力发电，就是将风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电。

你有想象过一种纱线，拉伸它就能发电，未来人们有望在此基础上减少对化石能源的依赖吗？

美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家领导的国际科研团队早在2017年就成功开发出一种高科技纱线—“Twistron”，只要拉伸或者扭转它就能产生电能。

近日，他们又研究出多种方法,大幅提升Twistron碳纳米管发电纱线的性能。这项研究发表在《Advanced Materials》杂志上。

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拉伸纱线产生电能

Twistron 由碳纳米管(CNT)构成。这些纳米管是直径比人类头发小1万倍的碳中空圆柱体。

Twistron具有类似于弹簧的螺旋卷绕结构，有较高的弹性。研究人员将成千上万的碳纳米管通过加捻的方式纺制成高强度、轻质的纱线，当这种纱线被拉伸时，其体积会变小，并诱导电化学电容减小，使得纱线上的电荷彼此靠近从而产生高电压，最终收获到电能。

“用最简单的话来描述Twistron就是，你拿着一条纱线，拉伸它，电能就会产生。”相关研究人员表示。

来源：UNIVERSITY OF TEXAS AT DALLAS

使用拉伸引起的电化学电容变化，可以产生比任何现有技术机械能采集器更高的峰值电功率。

研究人员们发现，一根重量小于苍蝇的碳纳米管纱线，在每次被拉伸时，就可以点亮一个小型的LED。

Twistron 发电纱线的性能极大地受到碳纳米管排列取向以及碳纳米管之间相互作用的影响，并基于此认识开发了可大幅优化 Twistron 发电纱线性能的方法。

“这些纱线的基本机制是，当拉伸它们时，单个碳纳米管束相互接触，增加了材料中的电子密度，从而增加了电压输出，”作者表示。“基于这种理解，我们发现优化纳米管排列，即优化它们相互作用的表面积，可以显著增加电容变化并显着增加电压输出。”

当纱线以每秒30次的频率拉伸时，可以每公斤纱线产生 3.19 千瓦的峰值电力，比其他研究人员报告的频率在 0.1 赫兹和 600 赫兹之间的替代机械能收集器的最高值增加了12倍。

研究人员表示，最新版本的Twistron获得的最大能量转换效率是以前的Twistron的7.2 倍。研究人员已经申请了这项技术的专利。

该团队还将石墨烯（一个原子厚的二维碳片），加入制造过程。研究人员首先从垂直排列的纳米管阵列中拉出一片碳纳米管。在新的实验中，他们增加了一个步骤——他们将石墨烯沉积在该片材上，然后将其全部扭曲并盘绕成纱线。作者解释说，这极大地改善了电容变化和我们可以从产生的双扭管中获得的电量。

二维还原氧化石墨烯纳米片之间的相互作用显著增加，从而使电容变化从原来的54%增加到65%。

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发电纱线的大规模应用

目前，人们对于利用海洋能量发电来为城市供电，以及利用环境中的废弃能源和人体运动来为物联网及可穿戴可植入器件提供电力有很大的需求。未来，他们的 Twistron 发电纱线或能大规模应用于这些场景。

该团队将新的捻线纱缝入手套中。当戴着手套的人在手语中形成不同的字母和短语时，手势会产生电力。

“根据输出电压曲线，我们可以轻松区分不同字母和短语的手指运动，我们可以将这款手套用作自供电手语翻译器。”该论文的第一作者王忠博士说。

来源：[2]

各种应用都可以利用将机械能转换为电能的方法，从利用身体运动为人体内部和人体上的传感器和能量存储设备供电，再到收集海浪能量为城市供电。 

在将改进的 Twistron 发电纱线应用于收集海浪能量时，研究人员在海水中测试了该纱线的可行性。他们观察到，改进的Twistron发电纱线能够达到 11.8Wkg-1 的平均输出功率，是在先前相同应变和频率下所获得的 7 倍以上。此外，研究人员还将 Twistron 发电纱线集成到类似于红酒架结构的器件中，结果发现，Twistron 发电纱线很容易实现大规模集成，且能够通过串联或并联实现任意电压或者电流的输出。

不过，尽管 Twistron 碳纳米管发电纱线可以在较宽的频率范围内提供比现有技术高得多的输出功率密度，在其实现大规模应用之前仍然存在一个重要的问题，即现在市面上还没有一家公司能够提供公斤数量级的碳纳米管纱线上市销售。此外，研究人员指出，当应用于获取稀缺的机械能源时，还需要提高 Twistron 发电纱线的能量转换效率。

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参考资料：

[1]https://www.inceptivemind.com/new-energy-harvester-produces-electricity-when-repeatedly-stretched/27437/#google_vignette

[2]Wang, Zhong, et al. "More powerful twistron carbon nanotube yarn mechanical energy harvesters." Advanced Materials (2022): 2201826.

[3]https://www.163.com/dy/article/H66HJEG505329TW8.html

[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/878361?language=chinese

注：首图来源于University of Texas at Dallas

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