無論是手機(jī)還是筆記本電腦，這些便攜式電子設(shè)備都已成為人們生活的必備工具。這些物品的快速發(fā)展，得益于可再生和環(huán)保的電池為這些設(shè)備供電。隨著運(yùn)動(dòng)手環(huán)等更加輕巧的可穿戴設(shè)備的風(fēng)靡，為它們持續(xù)提供高效、清潔和可持續(xù)的電能是亟需解決的難題。
近日，浙江大學(xué)海洋學(xué)院海洋電子與智能系統(tǒng)研究所朱智源博士研究小組，研發(fā)了一種新型的X型高效摩擦納米發(fā)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、以及可收集人體運(yùn)動(dòng)能等諸多特點(diǎn)。這項(xiàng)研究發(fā)表在著名期刊《納米能源》（Nano Energy）上。
論文第一作者為浙江大學(xué)海洋學(xué)院2017級(jí)船舶與海洋工程專業(yè)碩士研究生夏克泉，通訊作者為青年教師朱智源博士，共同作者包括2014級(jí)海洋工程與技術(shù)專業(yè)本科生杜超林與2014級(jí)船舶與海洋工程專業(yè)本科生王容基。
用筆畫出一個(gè)發(fā)電機(jī)
在該研究工作中，研究人員提出了一種新穎的紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)（XP-TENG），并可通過商業(yè)畫筆將簽字筆油墨勾勒在紙上形成電極。
讓我們一起來還原這個(gè)繪畫過程——
首先取兩張尺寸為3cm×9cm的紙片，在紙片的一側(cè)切割出兩條平行的縫隙用以嵌合器件。接著用畫筆將簽字筆墨均勻的涂抹在紙片的表面，然后放置2分鐘使得油墨在紙的表面固化形成電極，取其中一張紙片，在電極表面貼上特氟龍膠帶，然后將其中一張紙片折成“π”形狀，另外一張折成“倒π”形狀。最后兩個(gè)器件通過縫隙嵌合到一起，便形成了X形狀的紙基發(fā)電機(jī)。
圖1. X形狀紙基發(fā)電機(jī)的制作過程
在這之前，摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為一種智能綠色器件已經(jīng)被科學(xué)家所研發(fā)?！澳Σ良{米發(fā)電機(jī)最具吸引力的特征是能把各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，如人行走，人眼運(yùn)動(dòng)和車輛運(yùn)動(dòng)等?！边z憾的是，摩擦納米發(fā)電機(jī)多數(shù)加工方法成本過高、工藝復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。
直到2013年，王中林院士課題組創(chuàng)新性的提出了一種紙基TENG，大大降低了制作成本；2017年，張曉升教授等用鉛筆在紙上繪出導(dǎo)電石墨層作為TENG的導(dǎo)電電極，進(jìn)一步簡化了制作工藝，推動(dòng)了紙基柔性能源器件的發(fā)展。
朱智源表示，當(dāng)紙基材被彎曲和導(dǎo)電電極表面被劃傷時(shí)，簽字筆油墨層的表面電阻比鉛筆繪制的石墨層的薄層電阻更穩(wěn)定。這種優(yōu)異的性能表明，與鉛筆石墨層相比，油墨層具有更長的使用壽命，更適合復(fù)雜的使用環(huán)境。
X形狀的妙用
以前的研究報(bào)道了多種結(jié)構(gòu)，包括拱形結(jié)構(gòu)，V形結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)。然而，以往的結(jié)構(gòu)大多只具有單一的工作模式，因此限制了TENG的實(shí)際應(yīng)用并且使器件效率下降。因此，在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了一種新穎的采用了切紙和折紙的組合式架構(gòu)的X形狀紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)。
這種新的形狀本身帶有6對(duì)摩擦電極，進(jìn)而將6個(gè)摩擦副集成到到一個(gè)X形狀紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)。這一特殊的結(jié)構(gòu)可提供兩種工作模式，拓展了摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。
圖2. X形紙基發(fā)電機(jī)的工作模式、制備材料、以及性能提升
第一種模式，基于常規(guī)的接觸-分離模型。采取多個(gè)堆疊結(jié)構(gòu)的X形狀紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)，可以進(jìn)一步提升堆疊結(jié)構(gòu)的電流輸出性能?？蒲腥藛T通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在手按壓下具備四個(gè)工作單元的堆疊X形狀紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的輸出能夠直接點(diǎn)亮工作電壓為3.4V的101個(gè)串聯(lián)高功率藍(lán)光LED。“當(dāng)然為了防止電流相互抵消，我們還會(huì)在結(jié)構(gòu)中采用多個(gè)全波橋獨(dú)立連接的優(yōu)化手段，使得電流朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)?！?/p>
第二種模式，可以有效地從人體運(yùn)動(dòng)中收集機(jī)械能。比如收集人肘運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，或者將X形狀紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)放在書包中，收集人走路時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)機(jī)械能等。
圖3. X形狀紙基發(fā)電機(jī)及其堆疊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
科研人員介紹，X形狀紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠適應(yīng)濕度環(huán)境，具有在海洋環(huán)境下工作的潛力，在船舶電子系統(tǒng)供能方面有潛在應(yīng)用。“未來，潛水員的探照燈或許可以通過人體自身的運(yùn)動(dòng)機(jī)械能發(fā)亮，同時(shí)這種發(fā)電原理或許還可以運(yùn)用到救生中?！敝熘窃凑f。
據(jù)介紹，用于海洋的納米能源器件是浙江大學(xué)海洋電子與智能系統(tǒng)研究所的重要研究方向，該研究所由徐志偉教授于2016年1月領(lǐng)銜創(chuàng)立，重點(diǎn)關(guān)注以信息科學(xué)與海洋物理為學(xué)科交叉的基礎(chǔ)研究，包括海洋信息電子、智能系統(tǒng)以及用于海洋電子裝備的新能源新材料新器件。此次利用簡易的商用材料制備了結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、低成本、作用速度快的供能器件，在摩擦納米發(fā)電機(jī)研究上取得突破，為用于海洋的自主便攜電子系統(tǒng)持續(xù)供能提供了新的思路。
本研究由中央高?；鹳Y助和國家自然科學(xué)基金資助（61674218、61731019）。研究人員感謝浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心所提供的掃描電鏡表征。
（文 柯溢能／圖片由課題組提供）
