高柔性、大尺度纤维基混合纳米发电机

下一代的可穿戴电子系统和移动通信对从周围环境或人类移动中获取能量提出了巨大的需求。纳米发电机是一类微小能源收集装置,该类装置可有效的将动能转化为电能,并且具有结构简单、成本低、结构多样化等特点,使得其在能源领域以及自驱动电子器件领域受到广泛的关注。相比于其他形式的纳米发电机,纤维基纳米发电机还具有轻质、可三维变形、高耐久性等特点,使得该类纳米发电机在满足可穿戴设备的能源要求方面具有更大的吸引力。由于在运动过程中,压电效应与摩擦效应通常同时存在,然而,目前很少有报道同时考虑混合效应的纤维基纳米发电机,这在一定程度上降低了纳米发电机能量转化率。另外,混合纳米发电机的基本理论研究目前仍有待完善,以便实现纳米发电机性能预测及辅助新型混合纳米发电机设计。

近期,香港理工大学陶肖明教授研究组提出一种简单、大尺度、高柔性的纤维基混合纳米发电机。该混合纳米发电机基于压电效应和摩擦效应,基本结构为级联形式。针对压电单元,采用静电纺丝技术,制备了18厘米×27厘米的钛酸钡、碳纳米管增强的聚偏氟乙稀(PVDF)纳米纤维压电薄膜,并采用导电纤维布作为上、下电极;针对摩擦电单元,采用简单的刮涂法,在砂纸表面制备了20厘米×25厘米无支撑的碳纳米管、石墨烯增强的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,将其固化到上述压电单元电极上形成级联结构,另一导电纤维布以自由方式作为摩擦电单元电极。基于6厘米×6厘米的纤维基混合纳米发电机,采用两组全桥式整流电路,最大输出电压和功率可达161.66 V和2.22 W m-2。利用这个摩擦式纳米发电机,可以同时点亮150个商用LED,另外该纳米发电机可以方便的整合到可穿戴衣物上并驱动LED灯。

除此之外,基于该纳米发电机的工作机理,全解析的电荷量-时间、电流-时间及电压-时间理论模型被推导出,通过与实验对比完全验证了理论模型的有效性。我们预期该理论模型在实验设计、材料选择、性能优化等方面将会产生重要的指导作用。

相关工作在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800016)上。