2024-12-16 科技 0
导读
近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST ）的科研团队开发出两种无需外部电源的小型自供电设备。它们利用摩擦电效应，自己独立产生电力，并能为小型电子系统供电。
背景
远程感测器、可穿戴电子设备、植入式生物感测器、纳米机器人等新一代微系统中，电池一直是制约系统性能与用户体验的关键瓶颈之一。为了克服这一瓶颈，“自供电”是一个万众期待的功能。
什么是自供电？简单说，它是让微系统不需要借助外部电源就能运行的技术。既然没了外部电源，那么微系统的能量又是如何而来呢？答案是：自供电技术可以将周围环境中的各种能量转化成电能，这些能量包括：热能、机械能、辐射能、化学能等等。
之前，笔者介绍的许多有关自供电技术的案例，已经充分展示了这项技术的特点，以及环境中的各种能量是如何转化成电能的。下面通过其中的三个经典案例，带大家一起回顾一下：
1）美国密歇根州立大学的科研人员开开发出基于铁电驻极体纳米发电机（FENG）的柔性设备，它让电子设备直接从运动中采集能量。
（图片来源：密歇根州立大学）
2）中科院、重庆大学、美国乔治亚理工学院、科技大学等科研机构的科研人员组成的团队，在中华传统剪纸艺术启发下，开发出一种轻量的、剪纸式样的摩擦电纳米发电机（TENG），能够采集来自运动的能量。
（图片来源：美国化学会）
3）美国北卡罗莱纳州立大学开发的可穿戴热电发电机（TEGs)，它可以利用人的身体与周围环境之间的温度差异来发电。
（图片来源：北卡罗莱纳州立大学）
创新
今天，我们继续介绍有关自供电的创新研究案例。近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的科研人员 Husam Alshareef、Jr-Hau He、Khaled Salama 领导的科研团队开发出两种无需外部电源的小型自供电设备。它们利用摩擦电效应，自己独立产生电力，并能为小型电子系统供电。
技术
摩擦起电，是日常生活中十分常见的物理现象。但是，许多摩擦产生的电力往往都被忽视与浪费掉了，没有得到有效的收集与利用。为了有效地利用摩擦所产生的电力，将机械能转化为电能，科学家们发明出了一种典型的设备：摩擦电纳米发电机（TENG）。
有了这款设备，我们就能采用自身运动（例如：拍手、跺脚、手指敲击）产生的能量，为随身携带的电子产品充电。这并不是出现在科幻小说中的场景，笔者介绍过的许多创新案例都已经在一定程度上实现了这一功能。
那么，TENG的原理究竟是什么？答案是：在TENG的内部电路中，由于摩擦起电效应，两个带有不同摩擦电极性的材料薄层之间会发生电荷转移，二者之间会形成电势差；在TENG 的外部电路中，在电势差驱动下，在摩擦电材料层背面分别粘贴著的两个电极之间或电极与地之间，电子会发生流动来平衡这个电势差。
在其中一项研究中，研究人员开发出一种自供电的光电探测器。他们通过将硅树脂基聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）与一种称为“有机金属卤化物钙钛矿”的材料相结合，设计出TENG（参考资料【2】）。这种基于卤化铅的材料具有太阳能电池和发光二极管所需要的光电特性。
为了精简设计并去除运动致动器，团队采用了两个由小空隙隔开的多层聚合物基的薄片，制成光电探测器。一个薄片由超薄的钙钛矿膜组成，另外一个薄片含有PDMS层。当设备受到手指敲击时，空隙使得研发团队能利用摩擦电效应产生的能量。
光电探测器研究的领导作者 Mark
Leung 表示：“自供电设备展现出杰出的响应性，特别是当暴露于低强度光线中的时候。” 因为聚合物成分具有柔性和透明性，无论入射光来自哪个方向，在弯曲1000次后，它仍然可以保持性能。
为了进一步拓展研究范围，在另外一项研究（参考资料【3】）中，研究人员设计出一个可穿戴的自供电手环，它通过将嵌入碳纤维的硅树脂纳米发电机与二维过渡金属碳化物(MXene)微型超级电容相结合，将机械能转化为电能并存储起来。
（图片来源：KAUST）
他们将纳米发电机和微型电化学电容，集成到包装在硅橡胶中的单个单体设备中。这种防漏且可拉伸的外壳具备柔性，柔软的手环可完全符合身体要求。皮肤与硅胶的间距变化，改变了电极之间的电荷平衡，引起电子通过TENG来回流动，对微型超级电容进行充电。
（图片来源：KAUST）
除了展示出了更长的循环寿命和更短的充电时间， MXene 微型超级电容在给定区域中，比薄膜以及微型电池集聚的能量更多，从而提供了基于摩擦电纳米发电机产生电力、更快速、更有效的小规模能量存储单元。手环被激活后，可将存储的能量提供给各种电子设备，例如手表和温度计。
（图片来源：参考资料【3】）
自供电手环项目的论文领导作者、博士生 Qiu Jiang 表示：“我们的最终目标是开发一个自供电的感测器平台，进行个性化的健康监测。” 团队正在计划将感测器引入到系统中，检查汗液中的生物标记物。
价值
正如笔者之前多次表述的，电池是制约小型电子系统性能与用户体验的关键瓶颈，因为它让我们无法摆脱续航时间和反复充电的困扰。
今天介绍的有关自供电技术的两个研究案例，让我们看到了未来在光电、感测器、医疗、可穿戴设备、柔性电子等诸多领域，自供电技术将进一步发挥作用。有了自供电技术，未来我们可以利用运动或者周围环境的能量，随时随地为电子产品供电，不用再为电池电量耗尽或者找不到充电器而发愁。
关键字
自供电、摩擦电、光电、可穿戴
参考资料
【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/495/the-raw-power-of-human-motion
【2】Leung, S.-F., Ho, K.-T., Kung, P.-K., Hsiao, V.K. ., Alshareef, H.N.
Wang, Z.L. & He, J-H. A self-powered and flexible organometallic
halide perovskite photodetector with very high detectivity. Advanced Materials 30, 1704611 (2018). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201704611
【3】Jiang, Q., Wu, C., Wang, Z.,
Wang, A. C., He, J.-H. Wang, Z.L. & Alshareef, H.N. MXene electrochemical
microsupercapacitor integrated with triboelectric nanogenerator as a wearable
self-charging power unit. Nano Energy 45, 266–272 (2018). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518300053?via%3Dihub
