Science：通过碳纳米管纱线的扭曲收集电能

【引言】

将机械能收集转换为电能的重要价值鼓励研究者们研究更多的新技术，机械能的收集存在于多种应用中，包括自供电无线传感器、结构和人体健康监测系统和从潮汐中收集能量。其中电磁电能发电机在新的技术应用中向毫米级或者更小尺寸发展时 它的功率密度低，成本高。传统的收集器使用的是流体和电子电荷耦合，但是在输出功率上需要更大的提升；现在已经有多种电化学收集器，比如导电聚合物收集器、锂电池基可弯曲收集器和离子聚合物-金属复合物收集器，但是这些已有的收集器性能都没有达到所希望的要求。其中Rubber基电介质电容器可以将大冲程机械能转换为电能，当拉伸时，Rubber基电介质电容器的厚度降低，电容增大从而导致电压的变化，因此转换成为电能。为了避免高电压和短路等问题，本文的研究者们之前尝试组装扭曲的碳纳米管纱线机械能收集器，但是当改变偏压拉力应变达到45MPa时，会产生很小的短路电流，使其可能的应用只有外供电应变传感器。

近日，韩国汉阳大学的Shi Hyeong Kim，美国德克萨斯大学的Carter S. Haines和Na Li等人（共同通讯）在Science上发表题为“Harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist”的文章，研究者报道了一种碳纳米管纱线能量收集器件，该器件可以通过拉伸和扭转将机械能转换为电能而不要需要外加电压；将盘绕的碳纳米管纱线拉伸最大可获得250W/kg的电功率（循环至30Hz），每圈循环的电能可达41.2J/kg。这种能量收集器可以用于海洋中收集潮汐能，将其与热驱动人工肌肉相结合可以把温度的变化转换为电能，将其编织到纺织品中可以用于自供电呼吸传感器中，为发光二极管供电或者为储能电容器供电。

【图文简介】

图一. 扭曲式收集器的组装、结构以及在0.1M HCl中拉伸能量收集器的性能

a) 圆锥形、漏斗形、费马形以及双阿基米德旋转形四种纱线类型的示意图和横截面图；

b) 扭转盘绕好的收集器电极、对电极、参比电极在电化学槽中的示意图；

c) 对圆锥形盘旋能量收集器施加正弦曲线拉力应变，分别记录开路电压、短路电流的变化；

d) 电容和开路电压分别随拉力应变的变化；

e) 峰值功率， 开路电压峰间值和每圈能量随频率的变化；

f) 产生的峰值功率和峰值电压与负载电阻的关系。

图二. 扭曲式收集器的扭曲和拉伸性能

a) 峰值功率和峰值电压与负载电阻的关系；

b) 峰值功率、平均功率和每圈电能与循环圈数的关系；

c) 电压和电压与等轴线扭曲和解扭曲的关系；

d) 开路电压和时间的关系。

图三. 扭曲式收集器的压电化学光谱和应用

a) 盘绕扭曲电极的循环伏安曲线；

b) 对应于机械拉伸的电流波动和相变；

c) 不同电解质中的开路电压；

d) 对应拉伸应变和温度的微弱PZC变化。

图四. 可供选择的收集器类型

a) 峰值功率和峰值电压与负载电阻的关系；

b) 开路电压峰间值和短路电流随串联和并联收集器数量的变化；

c) 海浪频率为9-1.2 Hz时，收集器的质量功率和绝对功率输出；

d) 用收集器和转换器电路对电容器进行充电至8 V；

e) 峰值功率，平均功率值和每圈能量随温度的变化；

f) 峰值功率和每次循环能量值随频率的变化。

图五. 扭曲式性能的结构起源及与以往报道的材料基收集器性能对比

a) 图中TEM图显示了在多层碳纳米管束中通过多层碳纳米管的坍塌增加内部纳米管的范德华结合力；

b) 高比表面积多层碳纳米管束的STEM图；

c,d)  扭曲式能量收集器与以往报道的材料基收集器性能对比。

原文链接：Harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist.( Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam8771)

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