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中山大學衣芳課題組《Nano energy》：一種織物型柔性可穿戴復合式能量收集器件及其能量管理系統(tǒng)
2023-04-15  來源：高分子科技

  可穿戴復合式能量收集器呈現(xiàn)出為可穿戴電子設備供電的巨大潛力，因為它們規(guī)避了單一能量收集器的不連續(xù)能源供給問題，能夠同步或互補的利用更多能量來源。摩擦納米發(fā)電機(TENGs)與生物燃料電池(BFCs)的復合具有廣闊的應用前景，然而，有兩個主要的挑戰(zhàn)。首先，兩種能量收集器的輸出嚴重不匹配，目前優(yōu)化能量管理設計尚未被研究報道。其次，以前報道的可穿戴復合式能量收集器件大多基于平面結(jié)構(gòu)，缺乏透氣性，不僅影響佩戴舒適性而且可能誘發(fā)皮膚疾病。


  有鑒于此，中山大學衣芳教授課題組與清華大學王曉峰課題組合作，開發(fā)了一種具有良好透氣性和舒適性的織物型柔性可穿戴復合式能量收集器(BWHEH)，它由織物型摩擦納米發(fā)電機(T-TENG)和纖維型生物燃料電池(F-BFCs)編織而成。為匹配和優(yōu)化二者的輸出特性，專門設計了能量管理電路，可將輸出功率放大~46.1倍，顯著降低了有效內(nèi)部阻抗，提高了常見可穿戴負載條件下的功率輸出。詳細介紹了TENG-BFC復合的能量管理原理。BWHEH自供電能量管理系統(tǒng)可以通過收集人體運動能和人體汗液能為常見便攜式電子設備持續(xù)供電。這項工作為能量收集提供了新的途徑，并為大功率復合式能量收集器提供了基礎指導。相關研究成果以“A breathable and woven hybrid energy harvester with optimized power management for sustainably powering electronics”為題發(fā)表在最新一期《Nano Energy》上。


  BWHEH的設計目的是收集人體生物機械能和汗液能，因為這些能量來源主要與人體運動及分泌的汗液有關，因此，BWHEH可以編織成一種紡織品，收集的能量通過專門設計的能量管理電路(PMC)進行預算和分配。如圖1b所示，BWHEH由一個背向皮膚的織物型摩擦電納米發(fā)電機(T-TENG)和編織到織物T-TENG中并面向皮膚的纖維型生物燃料電池(F-BFC)組成。其中，T-TENG能夠收集運動產(chǎn)生的機械能，F-BFC能夠收集汗液中的生化能。而且，特別設計一個能量管理電路(PMC)來最小化能量損失和最大限度地提高輸出功率以驅(qū)動電子負載。圖1d是BWHEH的系統(tǒng)級框圖，展示了BWHEH自供電能量收集系統(tǒng)與專門設計的能量管理電路。 


圖1. BWHEH的設計和概念


  T-TENG是通過手工編織具有核殼結(jié)構(gòu)的纖維基TENG (F-TENG)而制造的。內(nèi)部的核由作為工作電極的一束碳纖維組成；外殼是Ecoflex橡膠浸漬棉，作為摩擦起電層(圖2a)。所制備的T-TENG具有較高的輸出功率，在電阻負載為20 MΩ時，瞬時功率密度最大值達到579.5 mW·m-2(圖2i)。T-TENG還顯示出優(yōu)越的運行穩(wěn)定性，在連續(xù)工作10萬次循環(huán)(頻率:7.5 Hz)后保持穩(wěn)定，這確保了生物機械能的長期收集(圖2j)。 


圖2. T-TENG的工作原理及性能表征


  F-BFC是基于經(jīng)過等離子刻蝕處理的碳納米管(PE-CNT)纖維電極制備得到。陽極先在PE-CNT纖維上預加載了1,4-萘醌(NQ)氧化還原介質(zhì)，以提高F-BFC的功率密度。接著用乳酸氧化酶(LOX)溶液對陽極進行多循環(huán)浸漬，確保陽極對乳酸的快速催化氧化。最后，采用戊二醛(GA)交聯(lián)劑和殼聚糖(CA)固定化LOX，以緩解LOX浸出而引起的功率密度下降。陰極以Ag2O作為活性正極材料。將CNT顆粒與Ag2O混合以增強陰極氧化還原反應過程中的電子轉(zhuǎn)移，并加入Nafion固定Ag2O。所制備的F-BFC對汗液中的乳酸具有良好的電化學響應，并能根據(jù)需要進行任意的串并聯(lián)連接以提高輸出功率或開路電壓。 


圖3. F-BFC的工作原理及性能表征


  為匹配T-TENG大電壓、小交流電和F-BFC小電壓、直流電的輸出特性，使兩股電輸出得到最大化的利用，設計了一個專門的能量管理電路(PMC)。


  如圖4a所示，所設計的BWHEH能量管理電路分為兩級。在第一階段，利用T-TENG模塊和F-BFC模塊對2.2 μF臨時存儲電容充電，電壓設置為2.7 V。T-TENG通過橋式整流器連接到臨時存儲電容上，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而F-BFC則通過超低功率升壓轉(zhuǎn)換器(BQ25504)連接到同一存儲電容上。在第二階段，設計了納米功率降壓轉(zhuǎn)換器(LTC3388)，將2.7 V電壓轉(zhuǎn)換為1.2 V來驅(qū)動負載。2.7 V的最佳充電電壓是本次設計的重點之一，選擇2.7 V充電電壓是出于以下考慮。首先，當充電電壓大大低于其充電飽和電壓時(此處就是這種情況)，TENG的充電效率隨充電電壓線性增加。將充電電壓從0.4 V提高到2.7 V, T-TENG的輸出功率提高近6.75倍(2.7/0.4)。其次，較大的充電電壓會顯著增加用于F-BFC的升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器的功耗。為了平衡這兩個因素，選擇了2.7 V作為最佳充電電壓。研究發(fā)現(xiàn)，T-TENG、F-BFCs和T-TENG-F-BFCs使用PMC后的功率分別是未使用前的2.1倍、3.5倍和46.1倍(圖4b、c、d)。此外，PMC電源管理的的輸出端輸出的是直流穩(wěn)壓信號，因此即使T-TENG的交流電壓或負載電路的電阻發(fā)生變化，PMC的輸出電壓可以穩(wěn)定在1.2 V，確保BWHEH為電子設備供電時的高精度、穩(wěn)定性和可靠性(圖5)。 


圖4. 具有優(yōu)化能量管理的BWHEH的輸出特性 


圖5. BWHEH自供電能源系統(tǒng)應用演示


  綜上所述，該研究提出了一種由T-TENG和F-BFCs編織而成的新型透氣編織柔性可穿戴能量收集器件并設計了能量管理電路大大提高輸出功率，實現(xiàn)以穩(wěn)定的直流電源可持續(xù)地為電子設備供電。復合式能量收集器件采用編織結(jié)構(gòu)，透氣性、柔韌性、舒適性好。特別設計的能量管理電路將T-TENG和F-BFC的輸出特性相匹配，不僅可以將輸出功率顯著提高~46.1倍，而且可以顯著提高BWHEH作為電源的可靠性、穩(wěn)定性、噪聲和精度。詳細介紹了BWHEH的能量管理設計原則，為提高多源復合式能量收集器的能量效率提供了基礎指導。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523002732


  衣芳教授課題組介紹：

  衣芳教授于2018年8月至今在中山大學材料科學與工程學院工作。課題組研究工作涉及柔性能源和傳感方向，研究柔性能源轉(zhuǎn)化和存儲，柔性傳感材料和器件等。課題組現(xiàn)誠聘博士后和專職科研人員，有意者請發(fā)簡歷至衣芳教授郵箱。招聘詳情可見網(wǎng)址https://mse.sysu.edu.cn/article/563。

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（責任編輯：xu）
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