一種可利用空氣中水分發(fā)電實現(xiàn)自充電的超薄裝置

想象一下，僅僅用海鹽和一塊織物等日常用品就能利用周圍空氣中的水分發(fā)電，甚至用一塊像紙一樣薄的無毒電池為日常電子設(shè)備供電。新加坡國立大學(xué)設(shè)計與工程學(xué)院的一組研究人員開發(fā)了一種新型的水分驅(qū)動發(fā)電（MEG）設(shè)備，該設(shè)備由一層薄薄的織物（約0.3毫米厚）、海鹽、碳墨水和一種特殊的吸水凝膠制成。

MEG設(shè)備的概念是基于不同材料通過與空氣中的水分相互作用而發(fā)電的能力之上。由于其具有在現(xiàn)實世界中被廣泛應(yīng)用的潛力，該領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注，包括自供電設(shè)備，如健康監(jiān)測器、電子皮膚傳感器和信息存儲設(shè)備等可穿戴電子設(shè)備。

當(dāng)前MEG技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括設(shè)備暴露于環(huán)境濕度時的水飽和和不令人滿意的電氣性能。因此，傳統(tǒng)MEG設(shè)備產(chǎn)生的電力不足以為電氣設(shè)備供電，也不可持續(xù)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，由CDE材料科學(xué)與工程系助理教授Tan Swee-Ching領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團隊設(shè)計了一種新型MEG設(shè)備，該設(shè)備包含兩個不同性質(zhì)的區(qū)域，以永久保持各區(qū)域的含水量差異，從而發(fā)電并允許長達(dá)數(shù)百小時的電力輸出。

可自充電的長效織物電池

新加坡國立大學(xué)團隊的MEG設(shè)備由一層薄薄的織物組成，織物上涂有碳納米顆粒。在他們的研究中，研究小組使用了一種由木漿和聚酯制成的已商用的織物。

該織物的一個區(qū)域涂有吸濕離子水凝膠，被稱為濕區(qū)。這種特殊的吸水凝膠使用海鹽制成，可以吸收六倍于原始重量的水分，用于從空氣中收集水分。

“之所以選擇海鹽作為吸水化合物，是因為它的無毒性，以及方便海水淡化廠處理產(chǎn)生的海鹽和鹽水，”Tan副教授分享道。

織物的另一端是不含吸濕離子水凝膠層的干燥區(qū)域。這是為了確保該區(qū)域保持干燥，水僅存在于潮濕區(qū)域。

一旦MEG設(shè)備組裝好，當(dāng)海水在潮濕區(qū)域被吸收時，海鹽離子被分離，從而產(chǎn)生電能。帶正電荷的自由離子（陽離子）被帶負(fù)電荷的碳納米顆粒吸收。這會引起織物表面的變化，在織物上產(chǎn)生電場。織物表面的這些變化也使其具有儲存電能供日后使用的能力。

使用獨特的干濕區(qū)域設(shè)計，新加坡國立大學(xué)的研究人員能夠保持潮濕區(qū)域的高含水量和干燥區(qū)域的低含水量。即使潮濕區(qū)域處于水飽和時也能保持電輸出。在開放潮濕的環(huán)境中放置30天后，水能保留在潮濕區(qū)域，證明了該設(shè)備在維持電輸出方面的有效性。

“通過這種獨特的不對稱結(jié)構(gòu)，我們的MEG設(shè)備的電氣性能與之前的MEG技術(shù)相比有了顯著改善，從而可以為許多常見的電子設(shè)備供電，如健康監(jiān)測器和可穿戴電子設(shè)備，”Tan副教授解釋道。

該團隊的MEG設(shè)備還表現(xiàn)出高度的靈活性，能夠承受扭曲、滾動和彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力。有趣的是，研究人員通過將織物折疊成一個紙鶴展示了其出色的靈活性，這也沒有影響該設(shè)備的整體電氣性能。

移動電源以及更多應(yīng)用

MEG設(shè)備因其易于擴展和使用的商用原材料可立即得到應(yīng)用。最直接的應(yīng)用之一是用作移動電源，通過環(huán)境濕度直接為電子設(shè)備供電。

研究小組成員Zhang Yaoxin博士表示：“設(shè)備吸水后，一塊尺寸為1.5×2厘米的發(fā)電織物可以在恒定的環(huán)境下提供高達(dá)0.7V的電力，可持續(xù)超過150小時?！?/p>

新加坡國立大學(xué)團隊還成功展示了其新設(shè)備在為不同應(yīng)用發(fā)電方面的可擴展性。新加坡國立大學(xué)團隊將三塊發(fā)電織物連接在一起，并將它們放入一個標(biāo)準(zhǔn)AA電池大小的3D打印盒中。經(jīng)測試，組裝好的設(shè)備的電壓高達(dá)1.96V，高于商用AA電池的約1.5V，足以為鬧鐘等小型電子設(shè)備供電。

新加坡國立大學(xué)發(fā)明的可擴展性、獲得商用原材料的方便性以及每平方米約0.15新元的低制造成本使MEG設(shè)備適合大規(guī)模生產(chǎn)。

“我們的設(shè)備以較低的制造成本顯示出極好的可擴展性。與其他MEG結(jié)構(gòu)和設(shè)備相比，我們的發(fā)明更簡單，更容易擴展集成和連接。我們相信它具有巨大的商業(yè)化前景，”Tan副教授分享道。

審核編輯 ：李倩