Новая ультратонкая система сбора энергии, разработанная в Лаборатории наноматериалов и энергетических устройств Университета Вандербильта, способна сделать именно это. Основанное на технологии аккумуляторов и сделанное из слоев черного фосфора толщиной всего в несколько атомов, новое устройство генерирует небольшое количество электричества, когда оно сгибается или нажимается, даже на чрезвычайно низких частотах, характерных для движения человека.
«В будущем я ожидаю, что мы все станем зарядными станциями для наших личных устройств, получая энергию непосредственно от наших движений и окружающей среды», — сказал доцент кафедры машиностроения Кэри Пинт, руководивший исследованием.Новая система сбора энергии описана в статье под названием «Сборщик энергии сверхнизкочастотной электрохимической механической деформации с использованием двумерных нанолистов черного фосфора», опубликованной 21 июня в онлайн-журнале ACS Energy Letters.«Это своевременное и захватывающее исследование, учитывая рост носимых устройств, таких как экзоскелеты и умная одежда, которые потенциально могут выиграть от достижений доктора Пинта в области материалов и сбора энергии», — заметил Карл Зелик, доцент кафедры механической и биомедицинской инженерии в Vanderbilt. специалист по биомеханике передвижения, не принимавший участия в разработке устройства.
В настоящее время проводится огромное количество исследований, направленных на поиск эффективных способов использования источников энергии из окружающей среды. К ним относятся механические устройства, предназначенные для извлечения энергии из вибраций и деформаций; тепловые устройства, отводящие энергию от перепадов температуры; устройства лучистой энергии, улавливающие энергию света, радиоволн и других форм излучения; и электрохимические устройства, которые запускают биохимические реакции.«По сравнению с другими подходами, предназначенными для сбора энергии от движения человека, наш метод имеет два фундаментальных преимущества», — сказал Пинт. «Материалы атомарно тонкие и достаточно малы, чтобы их можно было пропитать в текстиль, не влияя на внешний вид и ощущение ткани, и он может извлекать энергию из движений, которые медленнее 10 герц — 10 циклов в секунду — в течение всего низкочастотного окна движения, соответствующие движению человека ".Докторанты Нитин Муралидхаран и Менгья Ли совместно руководили работой по созданию и тестированию устройств. «Когда вы смотрите на Усэйна Болта, вы видите самого быстрого человека на Земле.
Когда я смотрю на него, я вижу машину, работающую на частоте 5 Гц», — сказал Муралидхаран.Извлечение полезной энергии из такого низкочастотного движения оказалось чрезвычайно сложной задачей. Например, ряд исследовательских групп разрабатывают сборщики энергии на основе пьезоэлектрических материалов, которые преобразуют механическую деформацию в электричество. Однако эти материалы часто лучше всего работают на частотах более 100 Гц.
Это означает, что они не работают более чем на крошечную долю любого человеческого движения, поэтому они достигают ограниченной эффективности менее 5-10 процентов даже в оптимальных условиях.«Наш харвестер рассчитан на работу с эффективностью более 25 процентов в идеальной конфигурации устройства, и, что наиболее важно, на сбор энергии в течение всего периода даже медленных движений человека, таких как сидение или стояние», — сказал Пинт.Ультратонкий комбайн для сбора энергии лаборатории Вандербильта основан на исследованиях группы передовых аккумуляторных систем. За последние 3 года команда исследовала фундаментальную реакцию аккумуляторных материалов на изгиб и растяжение.
Они были первыми, кто экспериментально продемонстрировал, что рабочее напряжение изменяется, когда материалы батареи подвергаются нагрузке. При растяжении напряжение растет, при сжатии падает.
Команда сотрудничала с Грегом Уокером, доцентом кафедры машиностроения, который использовал компьютерные модели для подтверждения этих наблюдений для материалов литиевых батарей. Результаты исследования были опубликованы 27 июня в журнале ACS Nano в статье «Механохимия электродов литиевых батарей».Эти наблюдения привели команду Пинта к воссозданию батареи с положительными и отрицательными электродами, сделанными из одного и того же материала. Хотя это не позволяет устройству накапливать энергию, это позволяет ему полностью использовать изменения напряжения, вызванные изгибом и скручиванием, и, таким образом, производить значительные количества электрического тока в ответ на движения человека.
Первоначальные исследования лаборатории были опубликованы в 2016 году. Они были также вдохновлены параллельным прорывом группы из Массачусетского технологического института, которая произвела устройство размером с почтовую марку из кремния и лития, которое собирало энергию за счет эффекта, который Пинт и его команда использовали. расследование.
В ответ исследователи из Вандербильта решили сделать как можно более тонкими, используя нанолисты черного фосфора: материал стал последним любимцем сообщества исследователей 2D-материалов из-за его привлекательных электрических, оптических и электрохимических свойств.Поскольку основные строительные блоки харвестера составляют примерно 1/5000 толщины человеческого волоса, инженеры могут делать свои устройства настолько тонкими или толстыми, насколько это необходимо для конкретных применений. Они обнаружили, что изгиб их прототипов устройств производит до 40 микроватт на квадратный фут и может поддерживать генерацию тока в течение всей продолжительности движений с частотой 0,01 Гц, один цикл каждые 100 секунд.Исследователи признают, что одна из проблем, с которыми они сталкиваются, — это относительно низкое напряжение, которое вырабатывает их устройство.
Это в диапазоне милливольт. Однако они применяют свое фундаментальное понимание процесса для увеличения напряжения. Они также изучают конструкцию электрических компонентов, таких как ЖК-дисплеи, которые работают при более низком, чем обычно, напряжении.«Один из рецензентов нашей статьи поднял вопрос о безопасности», — сказал Пинт. «Это не проблема.
Батареи обычно загораются при закорачивании положительного и отрицательного электродов, что приводит к воспламенению электролита. Поскольку наш комбайн имеет два идентичных электрода, его закорачивание не сделает ничего, кроме как препятствовать накоплению энергии устройством.
Верно, что наш прототип загорится, если вы поместите его под паяльную лампу, но мы можем устранить даже эту проблему, используя твердотельный электролит ».Одним из наиболее футуристических применений этой технологии может быть электрифицированная одежда.
Он может приводить в действие одежду, пропитанную жидкокристаллическими дисплеями, которые позволяют пользователям менять цвета и узоры одним движением пальца по смартфону. «Мы уже измеряем производительность в пределах приблизительной мощности, необходимой для жидкокристаллического дисплея среднего размера с низким энергопотреблением, при масштабировании производительности по толщине и участкам одежды, которую мы носим». — сказала Пинта.Пинт также считает, что их устройство может найти применение не только в энергосистемах. «Когда наше устройство встроено в одежду, наше устройство может преобразовывать человеческое движение в электрический сигнал с высокой чувствительностью, который может обеспечить историческую запись наших движений. Или одежду, которая отслеживает наши движения в трех измерениях, можно интегрировать с технологией виртуальной реальности. Есть много направлений что это могло пойти ".
Докторанты Вандербильта Рэйчел Картер, в настоящее время научный сотрудник лаборатории военно-морских исследований, и Николас Галиото, студент-механик, также внесли свой вклад в исследование, которое было поддержано грантом Национального научного фонда CMMI 1400424 и программой грантов Университета Вандербильта.