杨亚研究组在同时收集风能
目前,随着能源紧缺、气候变暖等重大问题的出现,能源的获取和使用已在世界上受到广泛的关注和重视。研究人员也致力于开发可持续的能源,而对于收集环境中的光能,机械能,化学能这些类型的能量转化为电能,用来驱动未来传感网络中的可移动微纳器件。
微纳系统电子器件实际工作的环境中能获取的能量可能是单一的也可能是多渠道的,而大部分研究都是单纯地获取其中一种能量,这种单一的获取途径存在不合理的弊端。因此,研究如何通过复合能量包最大程度的利用环境中的多种形式能源将是微型能源和自驱动系统的重要方向之一。
近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员领导的研究小组在利用复合型能源器件同时兼可独立获取多种形式的能源方面取得进展,相关研究成果发表在最近一期的Nano Research (2014, DOI: 10.
1007/s12274-014-0523-y)。硕士生吴迎春在杨亚研究员的指导下制作了一种新型的复合能量包,多通道捕获了风能、太阳能和化学能,并进行了实际应用测试。该复合能量包由摩擦发电机、太阳能电池、化学电池三个基本单元组成。
该工作基于摩擦生电和静电感应的耦合效应,利用风力驱动可旋转的分别贴有PTFE膜和Al膜的双圆筒的亚克力管组成摩擦发电机,旋转时贴在两圆筒壁上的PTFE膜和Al膜相互摩擦产生电势差,使电子在Al和地之间流动,摩擦发电机的产生的开路电压为90 V,短路电流密度为0.
5 mA/m2,驱动了数十盏商用LED灯;太阳能电池(多个串联)的开路电压和短路电流分别4 V 和500 μA;自制化学电池的输出电流和电压分为500 μA 和 0.
5 V。复合能量单元的输出电压为70 V,电流为500 μA,它兼容了摩擦发电机输出电压高,太阳能电池和原电池输出电流高的优异性能。
同时,与单一的能量单元相比,复合型能量包展现了更加优良的储能性能:复合能量包对电容器的充电性能显著提高,从单一能量单元的3.2 V(摩擦发电机)或者3.5 V(太阳能电池和原电池串联)提高到6 V;在2小时内对商用锂电池的充电性能,将该电池从1.
1 V充到3 V,充电后的锂电池能够成功驱动风速传感器、温度传感器等微电子器件。这种基于多通道获取能源的复合能量包在驱动便携式电子器件、自驱动传感网络和清洁能源方面都将有宽广的应用前景。
附图说明:(a) 图为复合型能源器件的示意图,(b-d) 图为多种能源器件同时和单独工作时的输出性能和电容的充电性能。
