美科学家开发出超薄能量采集设备智能衣服有
导读
目前，许多能量采集装置都无法有效利用人体的低频运动产生的能量。然而，最近美国范德堡大学纳米材料和能量装置实验室的研究人员开发出一种超薄的新型能量采集系统，它基于电池技术，由二维材料黑磷组成，能够有效利用极低频率的人体运动，产生电力。
关键字
自供电、电池、二维材料
背景
未来，也许我们或许可以想象如下场景：你只需穿上一件夹克、衬衫或者裙子，在行走、挥手甚至坐着的时候，就能为手机、健身追踪器以及其他的个人电子设备供电。
这并不是科学幻想，或许很快就将变为现实。目前，许多科学研究都旨在探索有效利用环境能源的途径。它们包括：从振动和形变中提取能量的机械装置；从温度变化中吸收能量的热学装置；从光学、无线电波和其他形式的辐射中吸取能量的辐射能装置；还有利用生物化学反应的电化学装置。
但是，研究人员称，世界上跑步速度最快的牙买加短跑运动员尤塞恩·博尔特，其运动的频率差不多也只有5赫兹左右，仍然属于低频运动。
因此，从如此低频的运动中提取有用的能量是极具挑战性的。举例来说，目前许多个研究小组开发了基于压电材料的能量采集器，将机械应变转化为电力。但是，这些材料的最佳工作频率通常高于赫兹。也就是说，它们并不适用于任何人体运动。所以，即使在最优条件下，它们能够达到的极限效率也低于5%~10%。
创新
为了解决上述问题，最近美国范德堡大学纳米材料和能量装置实验室的研究人员开发出一种新型超薄能量采集系统。这种新型设备基于电池技术，由几层只有几个原子厚度的黑磷组成。即使受到极低频率的人体运动所产生的弯曲或按压，它也可以产生少量电力。
（图片来源于：JohnRussell/范德堡大学）
这种新型能量采集系统的有关论文《采用二维黑磷纳米片的超低频率电化学机械应变能量采集器》UltralowFrequencyElectrochemicalMechanicalStrainEnergyHarvesterusing2DBlackPhosphorusNanosheets在线发表于《ACSEnergyLetters》杂志。
技术
范德堡实验室的超薄能量采集器是基于研究小组之前关于高级电池系统的研究。过去三年以来，团队探索了电池材料对于弯曲和拉伸的基本反应。他们首先实验性地展示了，电池材料受到应力时，运行电压的变化。在拉力下，电压升高；在压力下，电压降低。
（图片来源于：JohnRussell/范德堡大学）
团队与机械工程专业副教授GregWalker展开合作。他采用计算机模型验证了这些对于锂电池材料的观测。研究结果发表在《ACSNano》杂志上，文章标题为《锂电池电极的可调谐的力化学》“TunableMechanochemistryofLithiumBatteryElectrodes”。
这些观测让Pint的团队使用同一材料制造正负电极，重新构造了电池。尽管这样阻止了设备存储能量，但是它能充分利用由弯曲和扭曲引起的电压变化，从而产生大量的电流，以响应人体运动。
该实验室的初步研究在年发表。同时，他们进一步受到了麻省理工学院的一项突破性研究的启发。麻省理工学院的研究人员通过硅和锂制造出了一个邮票大小的设备，该设备能够采集能量，并且正是通过Pint和他的团队正在研究的效应。
作为回应，范德堡大学的研究人员决定通过使用黑磷纳米片使得设备尽可能变薄。黑磷是二维材料研究界最新的宠儿，它具有引人注目的电学、光学和电化学特性。
（图片来源于：纳米材料和能量装置实验室/范德堡大学）
因为采集器的基本构建模块厚度是人类头发丝的1/，所以工程师们能够根据具体应用的需求，控制设备的厚度。他们发现，弯曲这种原型设备可产生每平方英尺达40微瓦的能量，在频率低至0.01赫兹（每秒一个周期）的完整运动时间内，持续地产生电流。
（图片来源于：纳米材料和能量装置实验室/范德堡大学）
价值
对于这项研究的价值，我们先看看研究人员们是如何评价的。这项研究的指导者、机械工程系助理教授CaryPint说：
“与其他采集人体运动能量的方案相比，我们的方案有两个根本优势：材料具有原子级的厚度且足够小，能够浸渍到纺织品中，而不影响织物的外观和触感；并且它能够从低于10赫兹（每秒10个周期）的运动中获取能量，涵盖了人体运动对应的整个低频窗口。”
“未来，通过从我们的运动和环境中获取能量，我希望我们能全部变成自己的个人设备的充电站。”
“我们的能量采集器经过计算，在理想的设备配置条件下，运行效率可以超过25%。而且最重要的是，在整个缓慢的人体运动期间，例如坐下或者站着的时候，都可以采集能量。”
（图片来源于：JohnRussell/范德堡大学）
范德堡大学机械和生物医学工程专业的助理教授、运动生物力学专家KarlZelik（他并没有参与该设备的开发）评论说：
“可穿戴设备例如外骨骼和智能衣服的日益增多，它们有望从Pint博士在材料和能量采集方面的研究进展中受益，所以这是一项十分及时且激动人心的研究。”
未来
研究人员承认他们面临的挑战之一，就是他们的设备产生的电压相对较低，在毫伏的范围内。然而，他们正在通过对于工艺的深入研究，提高电压。他们正在探索电气部件的设计，例如LCD显示器，它可以工作在低于正常电压的条件下。另外，Pint说：
“我们论文的同行评审者之一提出了安全性的问题。但是这里并不存在这种问题。电池通常在正负电极短路时着火，从而点燃电解液。因为我们的采集器具有两个完全相同的电极，使它短路并不会带来什么问题，只是会阻止设备采集能量。当你将它放到喷火枪下的时候，我们的原型设备是会着火，但是我们甚至可以用固态电解质，消除这种担心。”
关于这项技术，一个更加具有未来主义色彩的应用就是电气化的服装。它可以为镶嵌液晶显示器的衣服供电，穿戴者只需滑动智能手机屏幕，就改变衣服的颜色和图案。
（图片来源于：范德堡大学）
（图片来源于：范德堡大学）
Pint说：
“我们大概根据中等尺寸的低功耗LCD显示器的电力需求，评估其性能，通过我们所穿衣服的面积和厚度调整性能。”
参考资料
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