王中林ACS Nano:便携电子设备和医疗科学中的超轻自充电单元

【引言】

在便携式电子设备需求急剧增加的时代，对具有携带方便、重量轻和可持续充电续航的电源器件的需求变得相当紧迫。目前已商业化的锂离子电池等能源存储设备在电子器件中只能提供μW到mW的水平，同时还有体积大、质量重和寿命有限的问题。然而具有能量收集和能量存储功能的自充电动力装置（SCPU）表现出了独特的优势，它具有质量轻，高电荷输出以及超强的可移植性。

【成果简介】

近日，来自重庆大学的胡陈果教授和佐治亚理工学院的王中林教授（共同通讯作者）的课题组在ACS Nano上发表了题为Ultralight Cut-Paper-Based Self-Charging Power Unit for Self-Powered Portable Electronic and Medical Systems的文章，介绍了他们在超轻自充电单元上获得的最新进展。他们设计了一种拼装式剪纸结构的自充电电源模块（PC-SCUPU），当和纸基摩擦纳米发电机（TENG）或超级电容器（SC）的结合时，可以通过人身体的运动，达到同时收集和存储能量的目标。

【图文导读】

图1.拼装式剪纸结构的自充电电源模块的原理示意图

a.纸基超级电容器（P-SC）的制备工艺

b.P-SC的结构方案

c.纸基摩擦电发电机（PC-TENG）的制作工艺

图2. PC-TENG的工作机理

a.PC-TENG短路条件下的电荷分布示意图

b.1-3每个步骤开路条件下PC-TENG电极电势分布的数值计算，使用的是COMSOL物理场仿真模块软件

图3.PC-TENG收集机械能的性能测试

a.不同频率下(0.5−3.0 Hz)PC-TENG的开路电压(V_OC)和短路电流(Q_SC)测量

b.不同单元数量(1×1到8×8)PC-TENG的开路电压(V_OC)和短路电流(Q_SC)测量

c.分离距离 (1−30 mm)PC-TENG的开路电压(V_OC)和短路电流(Q_SC)测量

d.不同数量的PC-TENG单元在整流器的帮助下电荷的积累的测量

e.8个PC-TENG连接各种外荷载时的V-Q曲线测试

f.8个供电单元与LED连接的照片

g.传统TENG（输出电荷820nC）和PC-TENG（输出电荷740nC）的照片

h.8个传统TENG和PC-TENG的重量对比

i.传统TENG和PC-TENG的质量密度（nC/g）和体积输出电荷（nC/cm³）对比

图4.P-SC 存储能量的性能测试

a.P-SC 在不同扫描速率 (10−100 mV/s)下的C-V曲线测试

b.P-SC 在不同电流密度 (10−100 μA/cm²)下恒流充放电曲线 （C/D曲线）

c.P-SC 在不同扫描速率(10−600 mV/s)下的表面电容测试；插图为P-SC的电化学阻抗

d.5000次充放电循环的稳定性测试；插图是不同折弯角度的CV曲线测试

e.不同单元个数（1-4）串联形成完整P-SC的CV曲线和 C/D曲线

图5.PC-SCPU 便携电源的实际应用

a.PC-SCPU在钱包里的应用。插图1说明超轻PC-SCPU可以方便的放在口袋里。插图2为PC-SCPU电路图

b.用手拍打 PC-SCPU时的V-T测试曲线

c.PC-SCPU在充电模式下同时驱动无线遥控器的V-T测试曲线

d.PC-SCPU在远程遥控上的应用

e.手工制作成的PC-SCPU供电的数字电子表

f.手工制作成的PC-SCPU供电的温度计

【小结】

这种PC-SCUPU思路被实验证明，在能量收集和存储上有良好的表现。利用纸作为基底组装成剪纸结构的超轻菱形TENG具有很高的比表面积和单位体积的电荷储存，在钱包、遥控器和便携式电子设备上成功运行。这项研究证明了纸基自充电能量单元的应用潜力，尤其是在医疗科学上一次性使用的广阔前景。

原文链接：Ultralight Cut-Paper-Based Self-Charging Power Unit for Self-Powered Portable Electronic and Medical Systems(ACS Nano,. 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00866)

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