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捕捉慢动作的能量

能量收集的新概念可以捕获目前由于其特有的低频率而浪费的能量,并将其用于为下一代电子设备供电。在由电子巨头三星资助的项目中,宾夕法尼亚州立大学材料科学家和电气工程师组成的团队设计了一种基于柔性有机离子二极管的机械能量传感器,指向环境中未使用机械能的可扩展能量收集的新方向,包括风,海浪和人体运动。

捕捉慢动作的能量

用于获取环境机械能以转换为电能的装置被广泛用于为可穿戴电子设备,生物医学设备和所谓的物联网(IoT)提供动力 - 物理上的物联网 - 无线连接到互联网。基于压电效应,这些装置中最常见的是在高频下最有效地工作,每秒大于10次振动。但是在较低频率下,它们的性能会急剧下降。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学教授王庆说:“我们的理念是专门设计一种方法,将人体运动或海浪等低频运动转化为电能。” “这就是我们想出这种有机聚合物pn结器件的原因。”

它们被称为离子二极管,它的装置由两个纳米复合电极组成,带有相反电荷的移动离子,由聚碳酸酯膜隔开。电极是填充有碳纳米管并注入离子液体的聚合物基质。纳米管增强了电极的导电性和机械强度。当施加机械力时,离子扩散穿过膜,产生连续的直流电流。同时,建立了反对离子扩散的内在电位,直到达到平衡。完整循环的工作频率为十分之一赫兹,或每10秒一次。

对于智能手机,触摸屏幕所涉及的机械能可以转换成可以存储在电池中的电力。其他人体运动可以为平板电脑或可穿戴设备提供动力。

“因为该设备是聚合物,它既灵活又轻便,”王说。“当整合到下一代智能手机中时,我们希望能够提供电池所需能量的40%%。随着对电池的需求减少,安全问题应该得到解决。”

据“高能能材料”杂志在线发表的论文“用于低频机械能量收集的柔性离子装置”的作者所说,“我们设备的峰值功率密度通常大于或等于压电发电机的峰值功率密度。他们最有效的频率。“

材料科学与工程副教授迈克尔·希克纳(Michael Hickner)与他的团队中的博士后学者梁祝生产了离子聚合物。张启明,杰出的电气工程教授,他的团队专注于设备集成和性能。王的小组,包括合着者博士后学者齐力和研究生张勇,专注于材料优化。共同主要作者是访问学者Ying Hou,最近的博士毕业生岳舟和访问学者Lu Yang,他们都是张氏集团的成员。

“现在,在低频率下,没有其他设备可以胜过这个。这就是我认为这个概念令人兴奋的原因,”王说。