摩擦纳米发电机对锂电池的高效充电取得进展

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转式摩擦发电机结构示意图(上图)以及发电机对电池充电电路图(下图)

当你着急打电话手机却没电了的时候,或者骑着电动车半道没电了的时候,又或者户外运动时GPS定位手环没电了的时候,你有没有过希望有种技术发明能让你的电子设备不要断电?近几年来,不少研究者都在试图开发出能给移动电子设备持续供电的发电装置。其中,由中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究团队所开发的一系列摩擦纳米发电机取得了尤其显著的成果。这种发电机的原理是基于摩擦起电和静电感应这两种物理效应。当金属和绝缘高分子通过接触摩擦起电后,带电的高分子材料在两个金属电极间相对运动,由于静电感应效应,两个金属电极间电荷通过外电路发生往复运动,产生电流。由于多样的材料选择,低成本,以及可能的柔性设计,这种摩擦电机具有广泛的应用前景。

近来,王中林院士、胡卫国研究员课题组针对摩擦发电机对电池充电过程中能量转换率低的问题进行了改善研究,并在最新开源期刊Advanced Science杂志上发表了相关成果:DOI: 10.1002/advs.201500255。由于摩擦发电机具有高电压、高内阻抗的输出特性,其内阻抗远远高于常用锂电池,因而直接用发电机对电池充电时能量转换率低;同时,发电机输出为脉冲式电流,也异于常用的电池充电模式。课题组蒲雄助理研究员首先验证了脉冲式电流对锂离子电池充电的适用性,接着通过电源管理电路的设计优化了转式摩擦发电机对电池充电时的能量转化。通过优化,约72.4%的转式发电机功率可储存到锂离子电池中。当发电机以250转/分钟转动10分钟,被充电的锂离子电池后续可放电9.3 mAh;当发电机以600转/分钟转动1小时,被充电的锂离子电池后续可放电130 mAh。同时,由于这种摩擦电机为二维平面结构,可以叠加多层电机以提高输出,因而其存储电量可足够维持常用的移动电子设备,甚至有望给电动自行车提供补偿电量以提高续航里程。