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可实现能量采集与存储一体化的手镯

【研究背景】
    随着可穿戴设备和面向物联网传感器的迅速发展,加速了对输出稳定、能量密度高和寿命周期长的可穿戴电源模块的需求。现目前,电池之类的电源模块受限于有限的使用寿命,导致维护甚至更换成本高。与之相对,超电容具有理论上无限长的寿命,但由于有限的存储容量导致能量密度不高。一个可行的解决方案则是通过构建一种功能混合式的器件,由一个能量采集单元持续采集周围的机械能并将其转换为电能,进而存储于一个电化学能量储存单元。
【工作介绍】
    近日,佐治亚理工学院、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林课题组和阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)H. N. Alshareef课题组等人提出了一种集能量采集与存储一体的手镯,旨在为可穿戴设备提供持续稳定的能量供应。该手镯的能量采集部分混合了两个摩擦纳米发电机和两个电磁式能量采集器用于采集手腕运动的能量,能量存储部分则是一个基于RuO2的微型超级电容单次摆臂运动激励下,该手镯能够高效地将其中蕴藏的能量转换为电能并将该微型超级电容充电至2 V。进而,该微型超级电容可维持计算器、温湿度传感器等大多数电子器件稳定工作数分钟。该文章发表在国际顶级期刊 Advanced Energy Materials上。Steven L. Zhang,江秋和吴治峄为本文共同第一作者。
【研究亮点】
    1. 为了实现人体运动能量的高效采集与转换,将具有优越低频特性和输出电压高的摩擦纳米发电机和输出电流大的电磁式能量采集器进行了有效结合,制作成手镯形结构旨在采集人体摆臂过程中所蕴藏的能量。
    2. 能量采集与存储的一体化设计能够有效解决目前的超电容等存储单元能量密度不高的问题。由于微型超电容的高倍率性能,摩擦纳米发电机产生的波动电流能直接被有效储存。并且基于RuO2的微型超级电容具有较慢的自放电速率,能够实现对采集能量的高效存储利用。
【图文详情】
可实现能量采集与存储一体化的手镯  图1. 混合式能量采集手镯的制作过程和工作原理。
可实现能量采集与存储一体化的手镯
图2. 混合式能量采集手镯的电气性能。
可实现能量采集与存储一体化的手镯
图3. 混合式能量采集手镯的输出功率和RuO2微型超级电容的基本特征。
可实现能量采集与存储一体化的手镯
图4. 人体运动过程中,该手镯的能量采集与存储性能。
可实现能量采集与存储一体化的手镯
图5. 该手镯作为不同电子设备可持续能源的应用演示。
Steven L. Zhang, Qiu Jiang, Zhiyi Wu, Wenbo Ding, Lei Zhang, Husam N. Alshareef, Zhong Lin Wang, Energy Harvesting‐Storage Bracelet Incorporating Electrochemical Microsupercapacitors Self-Charged from a Single Hand Gesture, Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201900152

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参考文献:Adv. Energy Mater.

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