新设备利用小弯曲运动的能量 2017-07-03 11:13:29

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该图说明了所提出的能量收集系统背后的原理两个由锂合金硅制成的金属电极在一层电解质周围形成一个夹层,离子(带电原子)可以穿过的聚合物当夹层弯曲时,不均匀的应力导致锂离子迁移到电解质中,产生可以通过外部电路利用的补偿电子电流当弯曲放松时,过程反转过程可以重复数千次而几乎没有变化(弯曲量大大夸大了为了清晰起见,使用基于电化学原理的新方法,麻省理工学院的工程师开发了一种新设备,可以提供行走和其他环境运动的电源

对于许多应用,如生物医学,机械或环境监测设备,利用小动作的能量可以提供一个小但几乎无限制的电源,而一些麻省理工学院的研究人员现已开发出一种基于电化学原理的全新方法,该方法能够从更广泛的自然运动和活动中获取能量,包括步行新系统,基于轻微弯曲“自然通讯”杂志在麻省理工学院教授鞠莉,研究生Sangtae Kim和Soon Ju Choi以及其他四篇论文中描述了金属和聚合物薄片的三明治,大多数以前设计的用于利用小动作的设备都基于摩擦电效果(基本上是摩擦,如摩擦气球对羊毛衫)或压电(在弯曲或压缩时产生小电压的晶体)这些适用于高频运动源,例如由机械振动产生的那些但是对于典型的人行动作,例如步行或锻炼,这种系统对这种传统的垫子有“当你施加冲动”的限制erials,“它们反应非常好,在几微秒内但是这与大多数人类活动的时间尺度不符,”他说,他是Battelle能源联盟核科学与工程教授和材料科学与工程教授“另外,这些设备具有很高的电阻抗和弯曲刚度,并且可能相当昂贵,“他说简单灵活相比之下,新系统使用的技术与锂离子电池类似,因此可以大规模低成本生产,Li说In此外,这些设备具有固有的灵活性,使其与可穿戴技术更兼容,并且在机械应力下更不容易破碎

虽然压电材料基于纯物理过程,但新系统是电化学的,如电池或燃料电池

两片薄的锂合金作为电极,由一层浸有液体电解质的多孔聚合物隔开,这种聚合物在运输过程中是有效的金属板之间的锂离子但不像充电电池,它接收电力,存储,然后释放它,该系统吸收机械能并释放电力当弯曲甚至少量,层状复合材料产生压力差通过聚合物挤压锂离子(如在水脱盐中使用的反渗透过程)它还在两个电极之间的外部电路中产生反作用电压和电流,然后可以直接用于为其他设备供电因为它需要只有少量的弯曲才能产生电压,这种装置可能只是在一端附着一个微小的重量,导致金属在普通运动时弯曲,在日常活动中绑在手臂或腿上不同于电池和太阳能电池,新系统的输出以交流电(AC)的形式出现,流动首先在一个方向上移动然后在另一个方向上移动她作为材料首先弯曲然后返回该设备将机械转换为电能;因此,“它不受热力学第二定律的限制,”李说,它为理论上可能的效率设定了上限“所以原则上,[效率]可以是100%,”他说,在这第一代他说,为了展示电化学机械工作原理而开发的设备“我们所希望的最好效率是15%左右” 但是该系统可以很容易地制造成任何所需的尺寸,并且适合工业制造过程时间测试测试装置通过多次弯曲和不弯曲循环保持其性能,Li报道,在1,500次循环后性能几乎没有降低“这是非常稳定的系统,“他说,以前,新设备背后的现象”被认为是电池界的寄生效应,“李说,并且放入电池的电压有时会引起弯曲”我们做的正好相反,“李说他说,除了作为一种潜在的能源外,它还可以成为电化学中的补充诊断工具“这是一种评估电池损坏机制的好方法,一种更好地理解电池材料的方法“他说,除了利用日常运动为可穿戴设备供电之外,新系统还可用作生物医学的执行器在道路,桥梁,键盘或其他结构等环境中应用或用于嵌入式应力传感器,研究人员建议“这项工作非常有趣和重要,因为它提供了一种通过电化学路径转换机械能的新方法使用简单的设计和设备结构,“普渡大学工业工程助理教授吴文卓说,他没有参与这项工作”更重要的是,所演示设备的输出电流非常大,脉冲持续时间长这对于实际应用来说非常重要,因为大多数其他机械能量收集方法都存在脉冲持续时间短的小电流输出问题“Wenzhuo补充说,”这种机械能的有效收获将有助于开发更有能力和智能的可穿戴设备和人类-machine接口......这项工作在许多应用中具有巨大的潜力,例如fl灵活的电子设备,自供电传感器,可穿戴设备,人机界面,机器人,人造皮肤等“团队还包括博士后Kejie Zhao(现为普渡大学助理教授)和访问研究生Giorgia Gobbi,以及Hui Yang和Sulin宾夕法尼亚州立大学的工作得到了国家科学基金会,麻省理工学院MADMEC大赛,三星奖学金基金会和Kwanjeong教育基金会出版物的支持:Sangtae Kim等,“电化学驱动机械能量收集”,Nature Communications 7,文章号码:10146; doi:101038 / ncomms10146来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒