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Small Methods:基于柔性3D织物的摩擦纳米发电机和锌离子电池的集成能源器件

        柔性可穿戴能源存储和收集器件在为柔性可穿戴电子设备供能方面有着重要的应用。目前,多种可穿戴能源存储器件,如超级电容器和可充电电池,以及可穿戴能源转换器件,如太阳能电池和摩擦电纳米发电机均已被开发和尝试应用于为电子设备供能。近几年的研究不断提高了各种能源器件的能量和功率密度以及能量收集器件的转换效率。而学界和纺织工业的合作也促进并发展了集成式柔性可穿戴能源器件。

        然而,由于不同的理化过程机理,能源存储和收集器件各自的开发和集成尚存在一定的问题。同时,对于可充电电池来说,频繁的充电仍然不可避免。而对于太阳能电池来说,能源转换效率尚且不足。因此,如何将两种过程合理的结合和集成仍然是一个挑战。

Small Methods:基于柔性3D织物的摩擦纳米发电机和锌离子电池的集成能源器件

        针对柔性可穿戴集成式能源器件中存在的这一系列问题,近日,香港城市大学支春义教授课题组和香港理工大学胡红教授课题组联合开发了一种柔性3D织物,基于此集成了摩擦电纳米发电机和可充电锌离子电池并应用于个人可穿戴能源织物为电子器件供能。

        实验结果显示,这种特殊构造的柔性3D织物的三层结构有益于基于接触-分离工作原理的摩擦电纳米发电机和同样拥有三层结构的柔性锌离子电池的工作原理。经过优化,基于织物的摩擦电纳米发电机可以产生约10-15V的开路电压以及3-4 μA的短路电流,输出功率达到18.19 mW m-2。与此同时,基于此3D织物的柔性可充电锌离子电池在1C电流密度下的最大比容量也达到了265 mAh g-1并能在4 C电流密度下实现1000个循环。

        更重要的是,两者的合理组合配对,使得摩擦电纳米发电机的机械能收集和通过整流器的电能转换并由电池存储得以实现。在电池充分放电的情况下,通过手部按压,柔性锌离子电池的电压由0.93 V上升到1.28 V,并在4 μA的放电电流下输出了10.9 μAh的容量,成功为电子表供能一段时间。

该工作为基于织物的集成式个人可穿戴电源提供了解决方案,成果在线发表于Small Methods (DOI:10.1002/smtd.201800150)。

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