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如何在变形条件下实现稳定发电和高输出功率

中科院苏州所张珽团队 Nano Energy:基于可一连柔性水伏发电机的自供能可穿着传感系统

2020-03-23 09:00 来历:质料人

原标题:中科院苏州所张珽团队 Nano Energy:基于可一连柔性水伏发电机的自供能可穿着传感系统

【文章亮点】

1、针对柔性电子器件对能源轻量化、柔性化及可一连性的需求,构建了基于水伏效应的柔性纳米发电机及可穿着自供能柔性传感系统。

2、打破今朝水伏发电机牢靠水源束缚,团结超吸水水凝胶构建了蒸发驱动的柔性便携式水伏发电机。

3、实现了柔性水伏纳米发电机长时间一连不变发电,拓展了情况能量收罗用于柔性可穿着电子设备便携式电源的应用。

【配景先容】

近十年来,跟着智能柔性可穿着设备在医疗康健监护、人机融合、人工智能等规模的遍及应用,柔性电子技能向智能化、集成化、多成果化的偏向快速成长。然而,尽量柔性电子器件在低落功耗方面取得了重要希望,但能源的供应和耗损依然是柔性电子成长最要害的限制因素。传统化学电池等电源设备依然存在体积大、无法轻量化和柔性化等问题。连年来,操作光伏、热电、摩擦电和压电感到发电等技能从情况中收集能量为办理上述问题提供了新的偏向。办理电子器件可一连能源供应问题,研究开拓基于新型能源高效收罗的自主式供电柔性传感器成为柔性智能电子的重要研究偏向。

众所周知,地球外貌70%以上都被天然水体包围,是含量最富厚的资源之一。无论地理位置或情况条件如何改变,天然水都可以通过接收热能而自发地活动和蒸发。水耗损的能量占地球吸收到太阳能量的35%,约60万亿千瓦(10 15 W),假如可以或许将小部门的能量捕捉和有效操作,获得的能量就可以满意此刻人类的糊口需求~18万亿瓦(10 12 W)。最近,已报道了一种通过纳米布局与水的活动、颠簸、滴落和蒸发直接彼此浸染来发电的能量转换效应,被称为水伏效应(hydrovoltaic effect),这种效应为办理柔性传感系统的能源可一连供应提供了新的思路。然而,如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率,并实现轻量化、柔性化可穿着传感微系统依然面对许多挑战。

【成就简介】

针对上述挑战,中国科学院苏州纳米技能与纳米仿生研究所的张珽研究员(通讯作者)团队研制了一种可一连产电的柔性水伏发电机,并以此为便携式柔机能源构建了柔性可穿着自供能传感系统。通过聚乙烯醇(PVA)将成果化碳纳米颗粒(FCB)安稳粘附到三维海绵骨架 (3DS)上,并将PVA@FCB@3DS三维薄膜与高吸水性水凝胶组装构建水伏发电机(HPGs)。该水伏发电机在情况条件(20.4 、55%RH)下,可实现高达63 μA的一连短路电流和8.1 μW的最优有效输出功率,单次利用时间高出了150 h。另外,该柔性水力发电装置可以遭受大范畴的弯曲变形(最大120°)而不会产生明明的机能变革,这赋予了HPGs用作可穿着电子柔性便携式电源的本领。研究成就以题目为“Sustainable and Flexible Hydrovoltaic Power Generator for Wearable Sensing Electronics”颁发在Nano Energy上。本文第一作者:李连辉

【图文理会】

图一、水蒸发驱动的HPG和质料表征

如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率

展开全文

(a)水伏发电机的布局示意图。

(b)超接收性水凝胶吸水状态的典范光学照片;

(c)FCBs的高判别率O1s X射线光电子能谱(XPS)光谱;

(d)PVA@FCB的典范HR-TEM图像;

(e)PVA@FCB@3DS膜的扫描电子显微镜(SEM)图像;

(f)PVA@FCB层的高判别率SEM图像;

(g)PVA@FCB@3DS膜的横截面SEM图像;

(h)揉搓FCB@3DS薄膜和PVA@FCB@3DS薄膜进程及之后的典范光学照片。

图二、水蒸发驱动的HPGs的发电机能

如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率

(a)HPGs中的水流路径示意图。

(b-c)水蒸发驱动HPGs的事情道理示意图。

(d-e)在情况条件下,HPG事情150 h发生的 V oc 和短路电流( I sc );

(f)水蒸发驱动的水伏发电机的极性测试;

(g)将器件密封在造就皿进程中HPG的开路电压变革曲线;

(h)处于密封状态的重叠双电层(EDL)纳米通道的示意图;

(i)由3DS、CB@3DS、PVA@3DS、PVA@CB@3DS和PVA@FCB@3DS薄膜组成的水伏发电机的 V oc 。

图三、PVA@FCB@3DS薄膜的布局阐明

如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率

(a)PVA@FCB@3DS薄膜中水的漫衍的光学照片;

(b-c)插图中的b中显示了七个电极位置,HPG的两个电极之间的饱和状态电压差;

(d)PVA@FCB@3DS薄膜的示意图显示了液态水的漫衍和流路。

图四、情况条件对HPG发电和输出机能的影响

如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率

(a)器件的 V oc 随情况温度变革曲线;

(b)在~19.8 和~55%RH情况条件下, V oc 随气流速度的变革干系;

(c)在25.0 的不变情况温度下, V oc 随情况湿度的变革;

(d)输出机能测试系统的电路图;

(e)发电机输出机能随外部负载电阻的变革;

(f)HPG的输出功率随外部负载电阻变革。

图五、HPGs的扩展和应用

如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率

(a)在~20.2 和~53%RH情况条件下, V oc 和 I sc 的随PVA@FCB@3DS宽度的变革干系;

(b-c)差异数量串联和并联集成HPGs的电源系统的 V oc 和 I sc ;

(d)4个HPGs组装的集成电源系统驱动数字计较器事情。

图六、可穿着式自供电柔性传感系统的应用

如安在变形条件下实现不变发电和高输出功率

(a)全固态水力发电纳米发电机在差异弯曲状态下的实测 V oc ;

(b-c)HPG在释放状态和60 °弯曲状态下的 V oc 的照片;

(d)基于便携式水伏发电机的自供电柔性传感系统的照片;

(e)自供能传感系统的电流随系统弯曲角度变革曲线;

(f)自供能传感系统用于肘部监测的及时电流变革曲线。

【小结】

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