Science：通過碳納米管紗線的扭曲收集電能

【引言】

將機械能收集轉換為電能的重要價值鼓勵研究者們研究更多的新技術，機械能的收集存在于多種應用中，包括自供電無線傳感器、結構和人體健康監測系統和從潮汐中收集能量。其中電磁電能發電機在新的技術應用中向毫米級或者更小尺寸發展時 它的功率密度低，成本高。傳統的收集器使用的是流體和電子電荷耦合，但是在輸出功率上需要更大的提升；現在已經有多種電化學收集器，比如導電聚合物收集器、鋰電池基可彎曲收集器和離子聚合物-金屬復合物收集器，但是這些已有的收集器性能都沒有達到所希望的要求。其中Rubber基電介質電容器可以將大沖程機械能轉換為電能，當拉伸時，Rubber基電介質電容器的厚度降低，電容增大從而導致電壓的變化，因此轉換成為電能。為了避免高電壓和短路等問題，本文的研究者們之前嘗試組裝扭曲的碳納米管紗線機械能收集器，但是當改變偏壓拉力應變達到45MPa時，會產生很小的短路電流，使其可能的應用只有外供電應變傳感器。

近日，韓國漢陽大學的Shi Hyeong Kim，美國德克薩斯大學的Carter S. Haines和Na Li等人（共同通訊）在Science上發表題為“Harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist”的文章，研究者報道了一種碳納米管紗線能量收集器件，該器件可以通過拉伸和扭轉將機械能轉換為電能而不要需要外加電壓；將盤繞的碳納米管紗線拉伸最大可獲得250W/kg的電功率（循環至30Hz），每圈循環的電能可達41.2J/kg。這種能量收集器可以用于海洋中收集潮汐能，將其與熱驅動人工肌肉相結合可以把溫度的變化轉換為電能，將其編織到紡織品中可以用于自供電呼吸傳感器中，為發光二極管供電或者為儲能電容器供電。

【圖文簡介】

圖一. 扭曲式收集器的組裝、結構以及在0.1M HCl中拉伸能量收集器的性能

a) 圓錐形、漏斗形、費馬形以及雙阿基米德旋轉形四種紗線類型的示意圖和橫截面圖；

b) 扭轉盤繞好的收集器電極、對電極、參比電極在電化學槽中的示意圖；

c) 對圓錐形盤旋能量收集器施加正弦曲線拉力應變，分別記錄開路電壓、短路電流的變化；

d) 電容和開路電壓分別隨拉力應變的變化；

e) 峰值功率， 開路電壓峰間值和每圈能量隨頻率的變化；

f) 產生的峰值功率和峰值電壓與負載電阻的關系。

圖二. 扭曲式收集器的扭曲和拉伸性能

a) 峰值功率和峰值電壓與負載電阻的關系；

b) 峰值功率、平均功率和每圈電能與循環圈數的關系；

c) 電壓和電壓與等軸線扭曲和解扭曲的關系；

d) 開路電壓和時間的關系。

圖三. 扭曲式收集器的壓電化學光譜和應用

a) 盤繞扭曲電極的循環伏安曲線；

b) 對應于機械拉伸的電流波動和相變；

c) 不同電解質中的開路電壓；

d) 對應拉伸應變和溫度的微弱PZC變化。

圖四. 可供選擇的收集器類型

a) 峰值功率和峰值電壓與負載電阻的關系；

b) 開路電壓峰間值和短路電流隨串聯和并聯收集器數量的變化；

c) 海浪頻率為9-1.2 Hz時，收集器的質量功率和絕對功率輸出；

d) 用收集器和轉換器電路對電容器進行充電至8 V；

e) 峰值功率，平均功率值和每圈能量隨溫度的變化；

f) 峰值功率和每次循環能量值隨頻率的變化。

圖五. 扭曲式性能的結構起源及與以往報道的材料基收集器性能對比

a) 圖中TEM圖顯示了在多層碳納米管束中通過多層碳納米管的坍塌增加內部納米管的范德華結合力；

b) 高比表面積多層碳納米管束的STEM圖；

c,d)? 扭曲式能量收集器與以往報道的材料基收集器性能對比。

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

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