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中山大學(xué)衣芳課題組《Nano energy》：一種織物型柔性可穿戴復(fù)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(fù)合式能量收集器呈現(xiàn)出為可穿戴電子設(shè)備供電的巨大潛力，因?yàn)樗鼈円?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(bǔ)的利用更多能量來源。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENGs)與生物燃料電池(BFCs)的復(fù)合具有廣闊的應(yīng)用前景，然而，有兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)。首先，兩種能量收集器的輸出嚴(yán)重不匹配，目前優(yōu)化能量管理設(shè)計(jì)尚未被研究報(bào)道。其次，以前報(bào)道的可穿戴復(fù)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(xué)衣芳教授課題組與清華大學(xué)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(fù)合式能量收集器(BWHEH)，它由織物型摩擦納米發(fā)電機(jī)(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(shè)計(jì)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(fù)載條件下的功率輸出。詳細(xì)介紹了TENG-BFC復(fù)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(yùn)動(dòng)能和人體汗液能為常見便攜式電子設(shè)備持續(xù)供電。這項(xiàng)工作為能量收集提供了新的途徑，并為大功率復(fù)合式能量收集器提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。相關(guān)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(shè)計(jì)目的是收集人體生物機(jī)械能和汗液能，因?yàn)檫@些能量來源主要與人體運(yùn)動(dòng)及分泌的汗液有關(guān)，因此，BWHEH可以編織成一種紡織品，收集的能量通過專門設(shè)計(jì)的能量管理電路(PMC)進(jìn)行預(yù)算和分配。如圖1b所示，BWHEH由一個(gè)背向皮膚的織物型摩擦電納米發(fā)電機(jī)(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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能，F-BFC能夠收集汗液中的生化能。而且，特別設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)電子負(fù)載。圖1d是BWHEH的系統(tǒng)級(jí)框圖，展示了BWHEH自供電能量收集系統(tǒng)與專門設(shè)計(jì)的能量管理電路。 


圖1. BWHEH的設(shè)計(jì)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(fù)載為20 MΩ時(shí)，瞬時(shí)功率密度最大值達(dá)到579.5 mW·m-2(圖2i)。T-TENG還顯示出優(yōu)越的運(yùn)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(jī)械能的長(zhǎng)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(yù)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(duì)陽極進(jìn)行多循環(huán)浸漬，確保陽極對(duì)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(qiáng)陰極氧化還原反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移，并加入Nafion固定Ag2O。所制備的F-BFC對(duì)汗液中的乳酸具有良好的電化學(xué)響應(yīng)，并能根據(jù)需要進(jìn)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(shè)計(jì)了一個(gè)專門的能量管理電路(PMC)。


  如圖4a所示，所設(shè)計(jì)的BWHEH能量管理電路分為兩級(jí)。在第一階段，利用T-TENG模塊和F-BFC模塊對(duì)2.2 μF臨時(shí)存儲(chǔ)電容充電，電壓設(shè)置為2.7 V。T-TENG通過橋式整流器連接到臨時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)電容上。在第二階段，設(shè)計(jì)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(dòng)負(fù)載。2.7 V的最佳充電電壓是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，選擇2.7 V充電電壓是出于以下考慮。首先，當(dāng)充電電壓大大低于其充電飽和電壓時(shí)(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(huì)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(gè)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(hào)，因此即使T-TENG的交流電壓或負(fù)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(shè)備供電時(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)了能量管理電路大大提高輸出功率，實(shí)現(xiàn)以穩(wěn)定的直流電源可持續(xù)地為電子設(shè)備供電。復(fù)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(shè)計(jì)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(xì)介紹了BWHEH的能量管理設(shè)計(jì)原則，為提高多源復(fù)合式能量收集器的能量效率提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。


  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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(chǔ)，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(qǐng)發(fā)簡(jiǎn)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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