王中林ACS Nano:便攜電子設備和醫療科學中的超輕自充電單元

【引言】

在便攜式電子設備需求急劇增加的時代，對具有攜帶方便、重量輕和可持續充電續航的電源器件的需求變得相當緊迫。目前已商業化的鋰離子電池等能源存儲設備在電子器件中只能提供μW到mW的水平，同時還有體積大、質量重和壽命有限的問題。然而具有能量收集和能量存儲功能的自充電動力裝置（SCPU）表現出了獨特的優勢，它具有質量輕，高電荷輸出以及超強的可移植性。

【成果簡介】

近日，來自重慶大學的胡陳果教授和佐治亞理工學院的王中林教授（共同通訊作者）的課題組在ACS Nano上發表了題為Ultralight Cut-Paper-Based Self-Charging Power Unit for Self-Powered Portable Electronic and Medical Systems的文章，介紹了他們在超輕自充電單元上獲得的最新進展。他們設計了一種拼裝式剪紙結構的自充電電源模塊（PC-SCUPU），當和紙基摩擦納米發電機（TENG）或超級電容器（SC）的結合時，可以通過人身體的運動，達到同時收集和存儲能量的目標。

【圖文導讀】

圖1.拼裝式剪紙結構的自充電電源模塊的原理示意圖

a.紙基超級電容器（P-SC）的制備工藝

b.P-SC的結構方案

c.紙基摩擦電發電機（PC-TENG）的制作工藝

圖2. PC-TENG的工作機理

a.PC-TENG短路條件下的電荷分布示意圖

b.1-3每個步驟開路條件下PC-TENG電極電勢分布的數值計算，使用的是COMSOL物理場仿真模塊軟件

圖3.PC-TENG收集機械能的性能測試

a.不同頻率下(0.5?3.0 Hz)PC-TENG的開路電壓(V_OC)和短路電流(Q_SC)測量

b.不同單元數量(1×1到8×8)PC-TENG的開路電壓(V_OC)和短路電流(Q_SC)測量

c.分離距離 (1?30 mm)PC-TENG的開路電壓(V_OC)和短路電流(Q_SC)測量

d.不同數量的PC-TENG單元在整流器的幫助下電荷的積累的測量

e.8個PC-TENG連接各種外荷載時的V-Q曲線測試

f.8個供電單元與LED連接的照片

g.傳統TENG（輸出電荷820nC）和PC-TENG（輸出電荷740nC）的照片

h.8個傳統TENG和PC-TENG的重量對比

i.傳統TENG和PC-TENG的質量密度（nC/g）和體積輸出電荷（nC/cm³）對比

圖4.P-SC 存儲能量的性能測試

a.P-SC 在不同掃描速率 (10?100 mV/s)下的C-V曲線測試

b.P-SC 在不同電流密度 (10?100 μA/cm²)下恒流充放電曲線 （C/D曲線）

c.P-SC 在不同掃描速率(10?600 mV/s)下的表面電容測試；插圖為P-SC的電化學阻抗

d.5000次充放電循環的穩定性測試；插圖是不同折彎角度的CV曲線測試

e.不同單元個數（1-4）串聯形成完整P-SC的CV曲線和 C/D曲線

圖5.PC-SCPU 便攜電源的實際應用

a.PC-SCPU在錢包里的應用。插圖1說明超輕PC-SCPU可以方便的放在口袋里。插圖2為PC-SCPU電路圖

b.用手拍打 PC-SCPU時的V-T測試曲線

c.PC-SCPU在充電模式下同時驅動無線遙控器的V-T測試曲線

d.PC-SCPU在遠程遙控上的應用

e.手工制作成的PC-SCPU供電的數字電子表

f.手工制作成的PC-SCPU供電的溫度計

【小結】

這種PC-SCUPU思路被實驗證明，在能量收集和存儲上有良好的表現。利用紙作為基底組裝成剪紙結構的超輕菱形TENG具有很高的比表面積和單位體積的電荷儲存，在錢包、遙控器和便攜式電子設備上成功運行。這項研究證明了紙基自充電能量單元的應用潛力，尤其是在醫療科學上一次性使用的廣闊前景。

原文鏈接：Ultralight Cut-Paper-Based Self-Charging Power Unit for Self-Powered Portable Electronic and Medical Systems(ACS Nano,. 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00866)

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