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封面故事:可用于能量采集和健康监测的复合式纳米发电机

已有 5043 次阅读 2017-8-10 16:03 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记| 健康监测, 封面论文, 复合式发电机

【引言】随着电子皮肤和智能贴片等柔性电子设备的发展,如何随时随地采集能量为这些可穿戴电子设备供电越来越受到人们的重视。压电式纳米发电机和摩擦式纳米发电机通过特殊的材料选择和巧妙地结构设计,能将人体运动的各种机械能转换为电能输出,为低功耗的电子设备供电,在可穿戴电子设备和人体智能健康监测系统等领域有着广阔的应用前景。提升发电机的能量转换效率使其产生更多的电能输出,成为能量采集领域不懈追求的目标。

【成果简介】本人所带领的Alice Wonderlab研究小组利用静电纺丝工艺,成功研制出可用于柔性表面按压能量采集和人体生理信号检测的摩擦-压电复合式纳米发电机,相关成果以“Flexible fiber-based hybrid nanogenerator for biomechanical energy harvesting and physiological monitoring”为题,做为封面文章发表于重要期刊Nano EnergyVolume 38, August 2017,Pages 43-50),博士研究生陈学先为论文第一作者。

      该复合式纳米发电机采用静电纺丝工艺加工的柔性纳米纤维作为功能材料和电极骨架,通过添加导电纳米材料制作柔性电极,引入纳米结构增加表面摩擦层接触面积。与此同时,针对摩擦发电机需相对位移和压电发电机需产生形变的工作特点,将二者垂直结合,构成多层薄膜状结构,从而使器件可保形覆盖在人体皮肤等柔性表面,并在外力情况下随柔性物体一起产生形变,进行能量转换。此外,由于压电静电纺丝薄膜具有较高的压力灵敏度,器件还可贴附于人体腹部或手腕处,用于呼吸、脉搏振动等生理信号的监测,在自供能健康监测系统中有广阔的应用前景。

【图文导读】

图一:复合式纳米发电机结构


(a) 将器件贴附于气球表面进行柔性展示;(b) 器件结构示意图;(c-d) P(VDF-TrFE)纳米纤维和PDMS倒金字塔结构SEM照片;(e) 发电机进行能量转换的两个机械过程;(f) 电极导电性测试;(g) 连续弯折情况下电极稳定性测试。

图二:复合式纳米发电机工作原理及仿真结果

(a-b) 器件工作原理;两种不同情况下仿真得到的电势分布;(c-e) 不同压电极化强度、摩擦电荷密度、绝缘层厚度下两个发电机的仿真输出。

图三:复合式纳米发电机的实测输出性能


(a-c) 摩擦发电机部分接触分离情况下的电压、电流及匹配负载测试输出;(d-f) 压电发电机部分垂直按压情况下的电压、电流及匹配负载测试输出;(g-h) 压电发电机部分弯折情况下的电压、电流测试输出;(i)复合式纳米发电机为1uf电容充电情况。


图四:复合式纳米发电机用于柔性表面能量采集的应用展示


(a-b)将器件贴付于海绵表面按压情况下的输出;(c-d)将器件贴附于座椅靠背表面按压情况下的输出;

(e-f)将器件贴附于手臂表面按压情况下的输出。

图五:复合式纳米发电机对于生理信号实时监测应用展示

(a-b)器件贴附于肚皮表面进行呼吸信号的实时监测;(c-d)器件贴附于人体手腕进行脉搏信号的实时监测。

【总结】针对摩擦式纳米发电机和压电式纳米发电机各自的工作特点,利用静电纺丝纳米纤维和生物可兼容柔性材料将二者巧妙地结合在一起,其中,摩擦发电机部分将物体与器件接触分离过程中的机械能转化为电能输出,压电发电机部分则对器件形变过程中的机械能进行能量转换,由此提升器件在一次按压释放过程中的能量采集效率。该复合式纳米发电机不仅可进行能量采集同时可以对人体生理信号进行监测,显示了其在自供能传感领域的巨大潜力。

【文章信息】Flexible fiber based hybrid nanogenerator for biomechanical energy harvesting and physiological monitoring. (Nano Energy,Volume 38, August 2017,Pages 43-50, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.047

【全文下载】http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517303269

值得一提的是,本论文的第一作者为本小组的美女博士研究生陈学先,热烈祝贺!



https://wap.sciencenet.cn/blog-299-1070491.html

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2 黄岚 马雷

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