如果能將人類日常肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能收集起來(lái)并為電池充電，則可為便攜式電子產(chǎn)品提供源源不斷的電能。實(shí)現(xiàn)這一概念的關(guān)鍵在于如何在便攜式電子產(chǎn)品中完成“從機(jī)械能到電能的高效轉(zhuǎn)換”。

 

目前這類轉(zhuǎn)換主要依賴壓電效應(yīng)。然而，壓電效應(yīng)適用于收集高頻率機(jī)械振動(dòng)（大于10赫茲）產(chǎn)生的能量，但人類日常肢體運(yùn)動(dòng)往往在更低的頻率范圍內(nèi)（小于1赫茲）。頻率不匹配使得能量收集大打折扣，無(wú)法滿足應(yīng)用需求。

 

近日，美國(guó)賓州州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)公布了他們?nèi)碌?ldquo;機(jī)械能－電能轉(zhuǎn)化”概念和器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低頻率機(jī)械振動(dòng)能量的高效收集。這種器件基于柔性輕質(zhì)的有機(jī)離子二極管，它在人類日常肢體運(yùn)動(dòng)頻率范圍內(nèi)的“機(jī)械能－電能轉(zhuǎn)化”功率密度比傳統(tǒng)壓電器件高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可滿足下一代便攜式電子產(chǎn)品的需求。

▲機(jī)械能－電能轉(zhuǎn)化機(jī)理

 

賓州州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系QingWang教授介紹說(shuō)：“這項(xiàng)設(shè)計(jì)專門針對(duì)如何將這些普遍存在而又未被利用的的低頻機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。正因?yàn)槿绱?，我們想到了有機(jī)離子p－n節(jié)這類器件”。

 

這類有機(jī)離子p－n節(jié)的兩個(gè)電極分別由帶有相反電荷的聚電解質(zhì)納米復(fù)合材料構(gòu)成，中間通過(guò)聚碳酸酯薄膜隔開(kāi)。當(dāng)向p－n節(jié)上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部載流子（可移動(dòng)離子）的平衡被打破，p－n節(jié)的固有機(jī)制驅(qū)使載流子開(kāi)始持續(xù)擴(kuò)散，直至新的平衡重新建立。這一過(guò)程完成了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。由于離子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程恰好匹配人類日常肢體運(yùn)動(dòng)的頻率。

▲離子二極管裝置的示意圖

 

QingWang教授還提到：“因?yàn)檫@種器件主要由柔性輕質(zhì)的聚合物材料構(gòu)成，我們希望能將它們放置到下一代智能手機(jī)等便攜式產(chǎn)品當(dāng)中，用來(lái)提供電池所需的部分能量從而大大降低電池的充電需求及其安全隱患。”

 

這一成果已于日前在《先進(jìn)能源材料》雜志上發(fā)表（Adv．Energy Mater． 2016， 1601983）。這項(xiàng)工作由賓州州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系Qing Wang教授、MichaelHickner副教授以及電氣工程系QimingZhang教授團(tuán)隊(duì)共同完成。QingWang教授和李琦博士（現(xiàn)工作單位為清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系）為論文的共同通訊作者。