Energ. Environ. Sci.：新型駐極體薄膜—致力“防水”柔性發電機

【引言】

從人體中汲取機械能來源，如行走時產生的動能，是打破傳統移動供能設備最為有效的方法。而具備高轉換效率、制造工藝簡單、低成本、柔性等特點，能將周圍環境中的機械能轉換為電能的發電機，可加快自供能可穿戴電子設備的發展步伐。為推進其進程，主要面臨的挑戰則是要使發動機能經受住周圍嚴苛的環境，特別是極端潮濕的工作環境，在這類極端環境下，倘若未經適當包裝，其輸出的動力性能將會受到永久性的損壞。

【成果簡介】

華中科技大學周軍教授（通訊作者）等人研發出一種新型的層壓式蜂窩駐極體薄膜，在極端潮濕的環境下放置后，依然可在周圍環境中實現表面電荷的自恢復。這種基于柔性發動機的層壓式蜂窩駐極體薄膜，呈現出“三明治”結構，可有效收集步行時產生的能量。此外，即使在極端潮濕的環境（可穿戴的供能電子設備必然會面臨的一種運行環境）下運行，這種設備依然表現出極佳的表面電勢自恢復能力。除了提供一種全新的研究視角，這項研究同時還打開了低成本、可靠性高的可穿戴設備發展的新篇章。

【圖文導讀】

圖1：層壓式EVA/BOPP蜂窩駐極體薄膜的制備

（a）層壓式蜂窩駐極體制備過程原理圖。

（b）層壓式蜂窩駐極體的數碼照片。

（c）層壓式蜂窩駐極體的SEM圖像。

（d）純EVA薄膜，純BOPP薄膜，層壓式蜂窩駐極體的表面電勢隨時間衰減關系圖。

（e）100次連續潮濕-干燥環境循環下，層壓式蜂窩駐極體的表面電勢衰減圖。

圖2：表面電勢自恢復性能

（a）兩種純薄膜和五中傳統駐極體薄膜的表面電勢自恢復性能。

（b）4個不同狀態下，層壓式蜂窩駐極體表面電勢自恢復性能表征：I，初始狀態；II，在水中經吸收處理后；III，經第二種狀態后，將其放入真空室中再取出； IV，經第三種狀態處理后置于大氣環境下

（c）層壓式蜂窩駐極體在經1次，50次，100次潮濕—干燥循環后1h，3h及6h內表面電勢的全恢復時間。

圖3：層壓式蜂窩駐極體薄膜的表面電勢自恢復機制

（a）短路TSD測試系統原理圖。

（b） 3 °C min^?1的加熱速率下，層壓式蜂窩駐極體薄膜、純EVA薄膜和純BOPP薄膜的短路TSD電流。

（c）I，電暈充電；II，潮濕環境；III，表面電勢自恢復過程三種狀態下層壓式駐極體薄膜的電荷分布 。

圖4：三明治結構的柔性駐極體發電機

（a）發電機的數碼照片

（b）發電機電荷分布及結構的原理圖

（c）5N力，5Hz頻率下，根據施加在發電機上的外加負載電阻，得到負載峰值電流和相對應的負載峰值功率曲線。

（e）蒸汽處理過程中，5N力，5Hz頻率刺激下，發電機的電流趨勢。

（f）連續3次蒸汽處理過程中，相關的負載峰值電流值變化趨勢。

圖5：可用于無線傳輸的可穿戴能量轉換設備

（a）（b）分別為配置于鞋上的自供能和自觸動的無線傳輸系統的原理圖及數碼照片

（c）通過步行動能刺激動力設備引起的整流電流及相應的通過單個步行循環引起的電荷轉移量

（d）無線傳輸系統的電路圖

（e、f）分別為無線傳輸系統中的47μF商業電容器兩端間的實時電壓及相應接收端的信號

（g）可自功能的無線傳輸設備的數碼照片，有效傳輸距離可達18米，動力設備則是嵌入鞋中

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

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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