壓電能量收集的案例
北工大：柔性壓電能量收集器獲重要進(jìn)展！
近日，北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院、新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室侯育冬教授團(tuán)隊(duì)，成功開發(fā)出一種具有優(yōu)異發(fā)電特性和長(zhǎng)時(shí)間服役穩(wěn)定性的懸臂梁式柔性壓電能量收集器。相關(guān)研究成果發(fā)表于能源領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)刊物Nano Energy（IF=13.14）上。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518305676
隨著各類小型電子設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，迫切需要開發(fā)高性能、輕量化，可持續(xù)性強(qiáng)的能量供應(yīng)器件。在目前各種形式的能量收集器中，柔性壓電能量收集器依托優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的環(huán)境適應(yīng)性以及突出的能量收集性能有望集成于個(gè)人電子設(shè)備以及無線傳感器中，持續(xù)進(jìn)行能量供應(yīng)。如何基于填料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化在提升柔性壓電能量收集器發(fā)電功率的同時(shí)，保持長(zhǎng)時(shí)間的工作穩(wěn)定性是本方向的研究難點(diǎn)。
最近，侯育冬教授團(tuán)隊(duì)率先開發(fā)出一種具有優(yōu)異服役特性的極性納米棒填料織構(gòu)化柔性壓電復(fù)合材料。在能量收集材料設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下，以熔鹽化學(xué)合成的具有單軸強(qiáng)極性的BaTi2O5納米棒為填料，聚偏氟乙烯PVDF為基體，通過熱壓取向工藝將BaTi2O5納米棒定向排列于聚合物基體中，構(gòu)建出具有高換能系數(shù)的織構(gòu)化柔性BaTi2O5/PVDF壓電復(fù)合材料。
研究發(fā)現(xiàn)，以該材料制作的懸臂梁式柔性壓電能量收集器，在嚴(yán)苛的振動(dòng)條件下（10g加速度）表現(xiàn)出高能量密度27.4 μW/cm3。更為重要的是，即使經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)周期循環(huán)（~330,000），柔性壓電能量收集器仍能保持其發(fā)電特性而不劣化。
展開 基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學(xué)中一個(gè)重要的現(xiàn)象，可將圓柱繞流產(chǎn)生的卡門渦街現(xiàn)象應(yīng)用到實(shí)際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產(chǎn)生的能量是如何轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動(dòng)網(wǎng)格功能。
幾何模型：
仿真結(jié)果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點(diǎn)擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點(diǎn)擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點(diǎn)擊done。
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廣西大學(xué)聶雙喜教授《Materials Today》：液體能量收集與利用
有效利用來自液體的能量將促進(jìn)可再生能源領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新，符合碳中和所提出的要求，也將有效促進(jìn)造紙工業(yè)的高端化和綠色化發(fā)展。在眾多的液體能量收集的技術(shù)中，液-固摩擦納米發(fā)電機(jī)具有器件簡(jiǎn)易、輸出高、材料選擇廣泛等優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，研究人員開發(fā)了許多先進(jìn)方法。其中，化學(xué)功能化策略不僅在增加電荷密度方面具有很大優(yōu)勢(shì)，而且拓寬了摩擦電材料的選擇范圍，進(jìn)一步拓寬了液-固摩擦起電的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，從分子水平改變材料的摩擦電特性，這種改性是持久和穩(wěn)定的。此外，化學(xué)功能化策略在弱化液-固摩擦起電方面也具備優(yōu)勢(shì)，液-固摩擦起電的弱化可以有效減弱靜電效應(yīng)帶來的危害。因此，系統(tǒng)地總結(jié)化學(xué)功能化策略在強(qiáng)化和弱化液-固摩擦起電過程中的建設(shè)性作用及其相關(guān)的應(yīng)用是有必要的。
基于此，廣西大學(xué)聶雙喜教授課題組系統(tǒng)性地綜述了基于化學(xué)功能化策略調(diào)控液-固接觸起電的最新研究進(jìn)展。介紹了化學(xué)功能化策略在提高液-固接觸起電性能的研究進(jìn)展。同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注了化學(xué)功能化策略在弱化固體材料和液體材料起電性能的最新進(jìn)展，并進(jìn)一步闡述了弱化固-液摩擦起電在自供電化學(xué)傳感、物理傳感、靜電效應(yīng)消除等方面應(yīng)用的重要意義。最后討論了當(dāng)前該領(lǐng)域內(nèi)化學(xué)功能化在固體表面改性和液體分子修飾方面存在的問題及挑戰(zhàn)。
圖1 液-固接觸帶電研究中的典型例子和發(fā)展時(shí)間線。
圖2 液-固接觸起電未來的發(fā)展趨勢(shì)。
展開 《Adv Mater》：一種完全柔軟和可伸縮的電雙層能量收集器！
圖2.完全基于軟材料的能量收集器。A)展示其高度變形特性的裝置的照片。兩個(gè)包裹在聚丙烯酰胺水凝膠基質(zhì)中的液態(tài)金屬電極產(chǎn)生兩個(gè)可變面積的EDLC。B)工作機(jī)制示意圖。拉伸增加了凝膠-金屬界面的面積，從而增加了電容，并驅(qū)動(dòng)電荷在電路中運(yùn)動(dòng)。將電極釋放回其原始區(qū)域會(huì)使電荷返回到未變形的電極。C)平衡狀態(tài)下器件的電路表示(無電位梯度)。
圖3.EDLC能量收集器特性。A-D)輸出電流作為機(jī)械輸入的電極面積(A)、電解質(zhì)濃度(B)、振幅(C)和頻率(D)的函數(shù)。E)裝置的電路模型，其中符號(hào)A表示短路電流的測(cè)量。F)試驗(yàn)結(jié)果與模型結(jié)果的比較。模型數(shù)據(jù)符合線性方程，電流=0.0308×電極面積。G)水下軟EDLC能量收集器。
這項(xiàng)工作解決了傳統(tǒng)的可變面積靜電能量收集器的一些顯著缺陷。
展開 王中林院士團(tuán)隊(duì)：基于彈簧輔助多層結(jié)構(gòu)的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)高效水波能量收集
研究人員設(shè)計(jì)并制造了一種基于彈簧輔助多層結(jié)構(gòu)的球形TENG，用于收集水波能量。在水波觸發(fā)下，TENG依靠Al電極和FEP薄膜之間的接觸和分離工作。研究了由函數(shù)發(fā)生器控制的水波頻率和幅度對(duì)單球TENG器件輸出性能的影響。并且通過調(diào)整多層結(jié)構(gòu)中銅塊的質(zhì)量和基本單元數(shù)量可以進(jìn)一步優(yōu)化性能。該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發(fā)電機(jī)在大規(guī)模收集水波能中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
來源：高分子科學(xué)前沿
多倫多大學(xué)劉新宇教授團(tuán)隊(duì)《iScience》綜述：類皮膚水凝膠及其在可穿戴傳感，軟體機(jī)器人以及能量收集等方面的應(yīng)用
應(yīng)用方面，文章主要介紹了目前離子水凝膠在可穿戴物理和化學(xué)傳感，軟體機(jī)器人柔性電極及可拉伸傳感，和柔性自發(fā)電能量收集等方面的進(jìn)展。最后，作者討論了離子水凝膠存在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇， 包括多模態(tài)傳感，新型加工制備方案，結(jié)合大數(shù)據(jù)和水凝膠離子計(jì)算的下一代智能，以及可拉伸的儲(chǔ)能設(shè)備。
圖1 人體皮膚示意圖及類皮膚水凝膠目前的進(jìn)展和應(yīng)用總結(jié)
圖2 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的代表結(jié)構(gòu)和他們的合成策略。
圖3 基于導(dǎo)電聚合物的水凝膠
圖4 新型導(dǎo)電凝膠
圖5 水凝膠粘貼
圖6 水凝膠生物機(jī)械傳感器
圖7 水凝膠溫度傳感器
圖8 水凝膠生物化學(xué)傳感器
圖9 水凝膠多模態(tài)傳感器
圖10 基于離子凝膠的軟體機(jī)器人
論文第一作者應(yīng)斌斌博士曾在麥吉爾大學(xué)和多倫多大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，目前正在麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系從事博士后研究工作。研究方向?yàn)閕ngestible bioelectronics and biosensors。
多倫多大學(xué)劉新宇教授為本文通訊作者。多倫多大學(xué)劉新宇教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于微納和軟體機(jī)器人學(xué)、柔性電子器件、微流控器件與系統(tǒng)等機(jī)理研究以及應(yīng)用開發(fā)。該研究受到了加拿大自然科學(xué)和工程研究理事會(huì)和加拿大創(chuàng)新基金會(huì)的資助。
展開 濟(jì)南大學(xué)Nano Energy：基于Ag /（K，Na）NbO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能壓電復(fù)合發(fā)電機(jī)
【引言】
由于ZnO納米線壓電納米發(fā)生器（p-NG）于2006年提出，壓電能量收集技術(shù)因其將小規(guī)模機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的能力引起了人們的極大關(guān)注。在隨后的幾十年中，許多壓電半導(dǎo)體納米陣列作為納米級(jí)自給電源被開發(fā)出來，從而推動(dòng)了集成微/納電子學(xué)的發(fā)展。為了更廣泛和有效地利用環(huán)境不規(guī)則的機(jī)械能源，柔性p-NG通過將無機(jī)壓電材料分散到適合的聚合物。為了進(jìn)一步提高p-NG器件的輸出性能，選擇了具有優(yōu)良壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的各種鈣鈦礦材料加入到有機(jī)物體系中，與排列的單晶納米線陣列相比，柔性復(fù)合材料p-NG器件可以通過機(jī)械攪拌混合壓電顆粒和聚合物而制得，因此制備方法簡(jiǎn)單。。
然而，由于無機(jī)壓電顆粒的極化不充分，導(dǎo)致p-NG器件只能產(chǎn)生納安級(jí)的電流。在整個(gè)結(jié)構(gòu)的極化過程中，由于聚合物基體內(nèi)顆粒的均勻分布和絕緣聚合物的高電阻，導(dǎo)致施加在壓電顆粒的電壓受到限制。因此，所有壓電顆粒的自發(fā)極化重新定向的程度相當(dāng)?shù)汀ＴS多研究人員已經(jīng)證明，沒有極化的的壓電顆粒很難在機(jī)械應(yīng)力下產(chǎn)生電能，因此復(fù)合壓電發(fā)電機(jī)的壓電勢(shì)非常低。
為了提高無機(jī)壓電顆粒的極化電壓和極化程度，一些導(dǎo)電納米材料，如還原氧化石墨烯，單壁或多壁碳納米管（SW / MW-CNTs）Cu納米棒和Ag納米線，添加到壓電復(fù)合材料中。除了作為分散劑和應(yīng)力傳輸介質(zhì)外，這些一維導(dǎo)電介質(zhì)可以提供更多的導(dǎo)電通道，從而提升施加到無機(jī)顆粒上的極化分壓。從而提高p-NG器件的輸出電流。然而，由于有機(jī)物的流動(dòng)性，很難建立一維導(dǎo)電介質(zhì)和壓電顆粒之間的電耦合，這會(huì)阻止無機(jī)壓電顆粒的極化電壓的進(jìn)一步提高。因此。輸出功率仍然受到影響，這在很大程度上限制了納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用。
展開 邊緣重建穩(wěn)定1T’-MoS2納米帶的鐵磁性及其在納米帶寬度上的周期性振蕩
在柔性電子、光電子、自旋電子、催化劑、壓電和能量收集的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中具有廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬（MoS2）有三個(gè)晶相：2H、1T和1T'。其中，2H相是具有1.9 eV直接帶隙的半導(dǎo)體。1T相是金屬和亞穩(wěn)態(tài)的相，經(jīng)歷Mo二聚化的周期性結(jié)構(gòu)變形，可形成熱穩(wěn)定的1T'相。當(dāng)以納米帶（NR），納米團(tuán)簇或納米薄片的形式制備2H-TMD時(shí)，暴露的邊緣通常表現(xiàn)出與其大塊形式不同的特性。與大多數(shù)研究的2H相相比，1T'-MoS2具有更復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。本文采用密度泛函理論（DFT）計(jì)算來研究1T'-MoS2 NRs的Z字形邊緣的結(jié)構(gòu)重建和物理性質(zhì)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中國(guó)西安交通大學(xué)的鄧俊楷、楊森和澳大利亞的墨爾本大學(xué)的劉哲（共同通訊）作者等人，通過第一性原理計(jì)算研究，預(yù)測(cè)了1T’-MoS2納米帶的帶寬度的晶格單元奇偶數(shù)變化而引起的納米帶邊緣鐵磁性的振蕩效應(yīng)。該效應(yīng)是TMDs類二維材料中首次發(fā)現(xiàn)的新型效應(yīng)，只與納米帶的寬度有關(guān)。研究人員將此效應(yīng)命名為納米帶磁性的“magic number”，并基于此效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種調(diào)控納米帶寬度而形成的邊緣鐵磁性交替穩(wěn)定存在的新型自旋電子學(xué)器件原型。由于邊緣鐵磁性穩(wěn)定存在的最小單位可以為原子尺度的晶格，因此這一器件原型有望用于開發(fā)和設(shè)計(jì)超高密度的磁存儲(chǔ)材料（器件），為TMDs二維材料的功能應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)成果以“Ferromagnetism of 1T’-MoS2 Nanoribbons stabilized by edge reconstruction and its periodic variation on nanoribbons width”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。
展開 深入分析電子陶瓷技術(shù)發(fā)展歷程
（三）高性能壓電陶瓷產(chǎn)業(yè)
壓電陶瓷是一種重要的換能材料，其機(jī)電耦合性能優(yōu)良，在電子信息、機(jī)電換能、自動(dòng)控制、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)儀器中廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)新的應(yīng)用需求，壓電器件正向多層化、片式化和微型化方向發(fā)展。近年來，多層壓電變壓器、多層壓電驅(qū)動(dòng)器、片式化壓電頻率器件等一些新型壓電器件不斷被研制，并廣泛應(yīng)用于電氣、機(jī)電、電子等領(lǐng)域。
同時(shí)，在新型材料方面，無鉛壓電陶瓷的研制已取得了較大的突破，有可能使得無鉛壓電陶瓷在許多領(lǐng)域替代鋯鈦酸鉛（PZT）基的壓電陶瓷，推動(dòng)綠色電子產(chǎn)品的升級(jí)換代。此外，壓電材料在下一代能源技術(shù)中的應(yīng)用開始嶄露頭角。過去十年中，隨著無線與低功耗電子器件的發(fā)展，利用壓電陶瓷的微型能量收集技術(shù)的研究與開發(fā)受到各國(guó)政府、機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視。
（四）微波介質(zhì)陶瓷產(chǎn)業(yè)
微波介質(zhì)陶瓷是無線通信器件的基石。廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、導(dǎo)航、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙測(cè)、藍(lán)牙技術(shù)以及無線局域網(wǎng)（WLAN）等領(lǐng)域 。由微波介質(zhì)陶瓷構(gòu)成的濾波器、諧振器及振蕩器等元器件在 5G 網(wǎng)絡(luò)中被廣泛使用，其質(zhì)量在很大程度上決定了微波通信產(chǎn)品的最終性能、尺寸極限與成本。具有低損耗、高穩(wěn)定性、可調(diào)制的微波電磁介質(zhì)材料是目前國(guó)際上的核心技術(shù)。微波介質(zhì)陶瓷材料在發(fā)展初期曾形成美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)激烈競(jìng)爭(zhēng)的局面，但隨后日本逐漸處于明顯的優(yōu)勢(shì)地位。隨著第三代移動(dòng)通信與數(shù)據(jù)微波通信的快速發(fā)展，美國(guó)、日本、歐洲均針對(duì)該高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行戰(zhàn)略上的調(diào)整。從最近的發(fā)展趨勢(shì)看，美國(guó)將非線性微波介質(zhì)陶瓷與高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料技術(shù)作為戰(zhàn)略重點(diǎn)，歐洲側(cè)重于固定頻率諧振器用材料，而日本則依靠其產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)大力推進(jìn)微波介質(zhì)陶瓷的標(biāo)準(zhǔn)化與高品質(zhì)化 。目前微波介質(zhì)材料和器件的生產(chǎn)水平以日本村田、京瓷株式會(huì)社、TDK-EPC公司，美國(guó)Trans-Tech 公司等為最高。
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