Energ. Environ. Sci.：新型驻极体薄膜—致力“防水”柔性发电机

【引言】

从人体中汲取机械能来源，如行走时产生的动能，是打破传统移动供能设备最为有效的方法。而具备高转换效率、制造工艺简单、低成本、柔性等特点，能将周围环境中的机械能转换为电能的发电机，可加快自供能可穿戴电子设备的发展步伐。为推进其进程，主要面临的挑战则是要使发动机能经受住周围严苛的环境，特别是极端潮湿的工作环境，在这类极端环境下，倘若未经适当包装，其输出的动力性能将会受到永久性的损坏。

【成果简介】

华中科技大学周军教授（通讯作者）等人研发出一种新型的层压式蜂窝驻极体薄膜，在极端潮湿的环境下放置后，依然可在周围环境中实现表面电荷的自恢复。这种基于柔性发动机的层压式蜂窝驻极体薄膜，呈现出“三明治”结构，可有效收集步行时产生的能量。此外，即使在极端潮湿的环境（可穿戴的供能电子设备必然会面临的一种运行环境）下运行，这种设备依然表现出极佳的表面电势自恢复能力。除了提供一种全新的研究视角，这项研究同时还打开了低成本、可靠性高的可穿戴设备发展的新篇章。

【图文导读】

图1：层压式EVA/BOPP蜂窝驻极体薄膜的制备

（a）层压式蜂窝驻极体制备过程原理图。

（b）层压式蜂窝驻极体的数码照片。

（c）层压式蜂窝驻极体的SEM图像。

（d）纯EVA薄膜，纯BOPP薄膜，层压式蜂窝驻极体的表面电势随时间衰减关系图。

（e）100次连续潮湿-干燥环境循环下，层压式蜂窝驻极体的表面电势衰减图。

图2：表面电势自恢复性能

（a）两种纯薄膜和五中传统驻极体薄膜的表面电势自恢复性能。

（b）4个不同状态下，层压式蜂窝驻极体表面电势自恢复性能表征：I，初始状态；II，在水中经吸收处理后；III，经第二种状态后，将其放入真空室中再取出； IV，经第三种状态处理后置于大气环境下

（c）层压式蜂窝驻极体在经1次，50次，100次潮湿—干燥循环后1h，3h及6h内表面电势的全恢复时间。

图3：层压式蜂窝驻极体薄膜的表面电势自恢复机制

（a）短路TSD测试系统原理图。

（b） 3 °C min⁻¹的加热速率下，层压式蜂窝驻极体薄膜、纯EVA薄膜和纯BOPP薄膜的短路TSD电流。

（c）I，电晕充电；II，潮湿环境；III，表面电势自恢复过程三种状态下层压式驻极体薄膜的电荷分布 。

图4：三明治结构的柔性驻极体发电机

（a）发电机的数码照片

（b）发电机电荷分布及结构的原理图

（c）5N力，5Hz频率下，根据施加在发电机上的外加负载电阻，得到负载峰值电流和相对应的负载峰值功率曲线。

（e）蒸汽处理过程中，5N力，5Hz频率刺激下，发电机的电流趋势。

（f）连续3次蒸汽处理过程中，相关的负载峰值电流值变化趋势。

图5：可用于无线传输的可穿戴能量转换设备

（a）（b）分别为配置于鞋上的自供能和自触动的无线传输系统的原理图及数码照片

（c）通过步行动能刺激动力设备引起的整流电流及相应的通过单个步行循环引起的电荷转移量

（d）无线传输系统的电路图

（e、f）分别为无线传输系统中的47μF商业电容器两端间的实时电压及相应接收端的信号

（g）可自功能的无线传输设备的数码照片，有效传输距离可达18米，动力设备则是嵌入鞋中

文献链接：Surface charge self-recovering electret film for wearable energy conversion in a harsh environment （Energ. Environ. Sci，2016，DOI：10.1039/C6EE02135B）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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