人體“發(fā)電廠”?穩(wěn)定輸出5個月,輕松點亮100個LED燈
發(fā)布時間:2022-06-09
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當(dāng)前,隨著智能手機的產(chǎn)品創(chuàng)新逐漸走弱,以及市場容量逐漸接近飽和,智能可穿戴電子設(shè)備成為了智能終端產(chǎn)業(yè)的新熱點。

其中,柔性可穿戴電子設(shè)備,便是該領(lǐng)域內(nèi)的前沿研究方向之一。

但是,由于柔性可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計和功能,一直受能量來源和所用材料的影響,市面上并沒有出現(xiàn)太多令人驚艷的產(chǎn)品。

如果我們可以“扔掉”笨重的電池,利用自身能量為可穿戴電子設(shè)備供電,是不是很酷炫?

如今,這一想法或許正在成為事實。

近日,來自新加坡南洋理工大學(xué)和清華大學(xué)的科研團隊,就聯(lián)合開發(fā)出了一種可伸縮的防水“織物”,這種織物可以將人類身體運動產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。

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在一項概念驗證實驗中,研究團隊在一塊 3 cm*4 cm 的實驗材料上輕敲,產(chǎn)生的電能足以點亮 100 個 LED 燈。

而且,經(jīng)洗滌、折疊和褶皺后,織物的性能也不會出現(xiàn)下降,甚至可以在長達 5 個月的時間內(nèi),保持穩(wěn)定的電力輸出。

研究團隊認為,這一新型織物具備成為智能紡織品和可穿戴電源的潛力。

相關(guān)研究論文以“Stretchable, Breathable, and Stable Lead-Free Perovskite/Polymer Nanofiber Composite for Hybrid Triboelectric and Piezoelectric Energy Harvesting”為題,已發(fā)表在科學(xué)期刊 Advanced Materials 上。

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一種新的替代能源

新型織物是一種能量收集裝置,它能將人類日常生活中由最微小的身體運動產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為電能。

據(jù)論文描述,這種織物的一個關(guān)鍵成分是一種聚合物,當(dāng)被壓制或擠壓時,這種聚合物能將機械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能。

新型織物由可伸縮的氨綸(spandex)作為基礎(chǔ)層,且與類似橡膠的材料集成,以保持它的堅固、柔韌性和防水性。

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“人們曾多次嘗試開發(fā)可以從運動中獲取能量的面料或服裝,但一個巨大的挑戰(zhàn)是,如何保證它們被多次洗滌后功能不會退化、同時又能保持良好的電力輸出?!?論文的通訊作者、南洋理工大學(xué)教授 Lee Pooi See 表示。

在此次工作中,研究團隊證實,原型織物在被洗滌和揉皺后仍然可以很好地工作,可以編織在 T 恤上或集成到鞋底,從人體最小的動作中收集能量,將電力輸送到移動設(shè)備。

新型織物通過兩種方式發(fā)電:當(dāng)它因被按壓(pressed)或壓扁(squashed)而出現(xiàn)壓電現(xiàn)象(piezoelectricity)時,以及當(dāng)它與其他材料(比如皮膚或橡膠手套)摩擦產(chǎn)生摩擦電效應(yīng)時。

為了制造這一原型織物,科學(xué)家們首先通過絲網(wǎng)印刷一種由銀和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)組成的“墨水”,制造出一種可拉伸的電極。

然后,這個可拉伸的電極被連接到一塊納米纖維織物上,其組成成分分別為 PVDF-HPF(一種在壓縮、彎曲或拉伸時產(chǎn)生電荷的聚合物)和無鉛鈣鈦礦(一種在太陽能電池和 LED 領(lǐng)域很有前途的材料)。

研究團隊表示,在 PVDF-HPF 中嵌入鈣鈦礦可以增加原型織物的電輸出能力,而且無鉛鈣鈦礦是一種更環(huán)保的選擇。PVDF-HPF 不僅賦予鈣鈦礦特殊的機械耐久性和靈活性,也對鈣鈦礦起到了額外的保護層,增加了其機械性能和穩(wěn)定性。

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再也不需要電池了?

為了演示他們的原型織物是如何工作的,研究團隊展示了一只手在一塊 3 cm*4 cm 的織物上連續(xù)輕敲,如何點亮 100 個 LED 燈,或為各種電容充電。

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結(jié)果顯示,新型織物表現(xiàn)出了良好的耐久性和穩(wěn)定性——其電性能在洗滌、折疊和褶皺后不會惡化,它還繼續(xù)產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電力輸出長達 5 個月。

此外,新型織物可以被附著在胳膊、腿、手、肘部以及鞋墊上,利用人類一系列運動產(chǎn)生的能量,而且不會對運動產(chǎn)生影響。

“盡管電池容量有所提高,電力需求有所減少,可穿戴設(shè)備的電源仍然需要經(jīng)常更換電池。我們的結(jié)果表明,我們的能量收集原型織物可以利用來自人類的振動能量,從而潛在地延長電池的壽命,甚至構(gòu)建自供電系統(tǒng)。據(jù)我們所知,這是第一個基于鈣鈦礦的混合能源設(shè)備,它穩(wěn)定、可拉伸、透氣、防水,同時能夠提供出色的電力輸出性能?!?Lee 表示。

當(dāng)前,研究團隊正在研究如何利用相同的織物來收集不同形式的能量。

參考資料:

https://www.ntu.edu.sg/news/detail/new-'fabric'-converts-motion-into-electricity

https://ersp.lib.whu.edu.cn/s/com/wiley/onlinelibrary/G.https/doi/10.1002/adma.202200042

https://www.reddit.com/r/science/comments/v5mlal/scientists_have_developed_a_stretchable_and/

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220603100146.htm




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