如ru果guo能neng將jiang人ren類lei日ri常chang肢zhi體ti運yun動dong產chan生sheng的de機ji械xie能neng收shou集ji起qi來lai並bing為wei電dian池chi充chong電dian，則ze可ke為wei便bian攜xie式shi電dian子zi產chan品pin提ti供gong源yuan源yuan不bu斷duan的de電dian能neng。實shi現xian這zhe一yi概gai念nian的de關guan鍵jian在zai於yu如ru何he在zai便bian攜xie式shi電dian子zi產chan品pin中zhong完wan成cheng“從機械能到電能的高效轉換”。

 

目前這類轉換主要依賴壓電效應。然而，壓電效應適用於收集高頻率機械振動（大於10赫茲）產生的能量，但人類日常肢體運動往往在更低的頻率範圍內（小於1赫茲）。頻率不匹配使得能量收集大打折扣
，無法滿足應用需求。

 

近日
，美國賓州州立大學研究團隊公布了他們全新的“機械能－電能轉化”概(gai)念(nian)和(he)器(qi)件(jian)，能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)對(dui)低(di)頻(pin)率(lv)機(ji)械(xie)振(zhen)動(dong)能(neng)量(liang)的(de)高(gao)效(xiao)收(shou)集(ji)。這(zhe)種(zhong)器(qi)件(jian)基(ji)於(yu)柔(rou)性(xing)輕(qing)質(zhi)的(de)有(you)機(ji)離(li)子(zi)二(er)極(ji)管(guan)，它(ta)在(zai)人(ren)類(lei)日(ri)常(chang)肢(zhi)體(ti)運(yun)動(dong)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)“機械能－電能轉化”功率密度比傳統壓電器件高出幾個數量級
，可滿足下一代便攜式電子產品的需求。

▲機械能－電能轉化機理

 

賓州州立大學材料科學與工程係QingWang教授介紹說：“這項設計專門針對如何將這些普遍存在而又未被利用的的低頻機械能轉換為電能。正因為如此
，我們想到了有機離子p－n節這類器件”。

 

這類有機離子p－n節的兩個電極分別由帶有相反電荷的聚電解質納米複合材料構成，中間通過聚碳酸酯薄膜隔開。當向p－n節上施加機械應力時
，內部載流子（可移動離子）的平衡被打破，p－njiedeguyoujizhiqushizailiuzikaishichixukuosan
，zhizhixindepinghengzhongxinjianli。zheyiguochengwanchenglejixienengdaodiannengdezhuanhuan。youyuliziyundongdetedian，zhenggeguochengqiahaopipeirenleirichangzhitiyundongdepinlv。

▲離子二極管裝置的示意圖

 

QingWang教授還提到：“因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)器(qi)件(jian)主(zhu)要(yao)由(you)柔(rou)性(xing)輕(qing)質(zhi)的(de)聚(ju)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)構(gou)成(cheng)
，我(wo)們(men)希(xi)望(wang)能(neng)將(jiang)它(ta)們(men)放(fang)置(zhi)到(dao)下(xia)一(yi)代(dai)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)等(deng)便(bian)攜(xie)式(shi)產(chan)品(pin)當(dang)中(zhong)，用(yong)來(lai)提(ti)供(gong)電(dian)池(chi)所(suo)需(xu)的(de)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)從(cong)而(er)大(da)大(da)降(jiang)低(di)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)需(xu)求(qiu)及(ji)其(qi)安(an)全(quan)隱(yin)患(huan)。”

 

這一成果已於日前在《先進能源材料》雜誌上發表（Adv．Energy Mater． 2016， 1601983）。這項工作由賓州州立大學材料科學與工程係Qing Wang教授、MichaelHickner副教授以及電氣工程係QimingZhang教授團隊共同完成。QingWang教授和李琦博士（現工作單位為清華大學電機工程與應用電子技術係）為論文的共同通訊作者。