蘇州納米所研發(fā)便攜式水伏發(fā)電機(jī) 為柔性可穿戴設(shè)備供電

人氣：1043   發(fā)表時(shí)間：2020-05-29 11:39:52

蘇州納米所研發(fā)便攜式水伏發(fā)電機(jī) 為柔性可穿戴設(shè)備供電
近十年來(lái)，隨著智能柔性可穿戴設(shè)備在醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)、人機(jī)融合、人工智能等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，柔性電子技術(shù)向智能化、集成化、多功能化的方向快速發(fā)展。盡管柔性電子器件在降低功耗方面取得了重要進(jìn)展，但能源的供給和消耗依然是柔性電子發(fā)展最關(guān)鍵的限制因素，研究開(kāi)發(fā)基于新型能源高效采集的自主式供電柔性傳感器成為柔性智能電子的重要研究方向。
眾所周知，地球表面70％以上都被天然水體覆蓋，是含量最豐富的資源之一。無(wú)論地理位置或環(huán)境條件如何改變，天然水都可以通過(guò)吸收熱能而自發(fā)地流動(dòng)和蒸發(fā)。通過(guò)納米結(jié)構(gòu)與水的流動(dòng)、波動(dòng)、滴落和蒸發(fā)直接相互作用來(lái)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，被稱(chēng)為水伏效應(yīng)（hydrovoltaic effect），這種效應(yīng)為解決柔性傳感系統(tǒng)的能源可持續(xù)供給提供了新思路。然而，如何在變形條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電和高輸出功率，并實(shí)現(xiàn)輕量化、柔性化可穿戴傳感微系統(tǒng)依然面臨很多挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽團(tuán)隊(duì)通過(guò)水源形態(tài)以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備了一種具有優(yōu)秀的便攜性、柔性和穩(wěn)定性的水伏發(fā)電機(jī)，并作為柔性電子器件能源供給平臺(tái)構(gòu)建了柔性可穿戴自供能傳感系統(tǒng)。通過(guò)采用聚乙烯醇（PVA）將功能化碳納米顆粒(FCB)綁定到三維海綿骨架 (3DS)上，并進(jìn)一步將得到的PVA@FCB@3DS薄膜與固體高吸水性水凝膠共組裝，構(gòu)建了HPG。基于構(gòu)建的PVA@FCB@3DS薄膜上的具有交疊雙電層（EDL）納米通道，HPG可以利用水的自發(fā)蒸發(fā)將周?chē)臒崃窟B續(xù)轉(zhuǎn)換為電能，而無(wú)需任何外部能量供應(yīng)，其Voc和Isc分別達(dá)到0.658 V和63 μA。此外，柔性HPG可以在較大范圍的彎曲應(yīng)變的狀態(tài)下，保持穩(wěn)定的產(chǎn)電性能。該便柔性攜式水蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的HPG突破了之前水伏發(fā)電機(jī)固定水槽的束縛，可以作為柔性可穿戴電子設(shè)備的柔性電源平臺(tái)用于器件的能量供給，推動(dòng)了水伏發(fā)電技術(shù)的器件形式和應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)步。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy上（DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104663）。論文第一作者是蘇州納米所博士生李連輝，通訊作者為研究員張珽。
（a）水伏發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。（b）超吸收性水凝膠吸水狀態(tài)的典型光學(xué)照片；（c）FCBs的高分辨率O1s X射線光電子能譜（XPS）光譜；（d）PVA@FCB的典型HR-TEM圖像；（e）PVA@FCB@3DS膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（f）PVA@FCB層的高分辨率SEM圖像；（g）PVA@FCB@3DS膜的橫截面SEM圖像；（h）揉搓FCB@3DS薄膜和PVA@FCB@3DS薄膜過(guò)程及之后的典型光學(xué)照片。
（a）器件的VOC隨環(huán)境溫度變化曲線；（b）在——19.8 oC和——55％RH環(huán)境條件下，VOC隨氣流速度的變化關(guān)系；（c）在25.0 oC的穩(wěn)定環(huán)境溫度下，VOC隨環(huán)境濕度的變化；（d）輸出性能測(cè)試系統(tǒng)的電路圖；（e）發(fā)電機(jī)輸出性能隨外部負(fù)載電阻的變化；（f）HPG的輸出功率隨外部負(fù)載電阻變化。
（a）全固態(tài)水伏發(fā)電納米發(fā)電機(jī)在不同彎曲狀態(tài)下的實(shí)測(cè)Voc；（b-c）HPG在釋放狀態(tài)和60o彎曲狀態(tài)下的Voc的照片；（d）基于便攜式水伏發(fā)電機(jī)的自供電柔性傳感系統(tǒng)的照片；（e）自供能傳感系統(tǒng)的電流隨系統(tǒng)彎曲角度變化曲線；（f）自供能傳感系統(tǒng)用于肘部監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)電流變化曲線。
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