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顶刊《EES》:3D打印制备高功率密度柔性压电能量回收器获重要进展!

发布时间:2019-12-22 11:38    点击次数:117次   

  从机械应变、运动、光、热、磁场等自然资源中获取能量已经成为穿戴式、自供电电子、物联网无线传感器网络(WSNs)等领域的研究热点。能量收集机械应变和运动,传统方法有压电,静电,和电磁等。然而,作为一个典型的自供电、自感知的可穿戴设备,压电能量收集器表现出结构简单、小型化和更高的能量密度等优点。相比传统的无机陶瓷和单晶材料,PVDF及其共聚物因其柔性、灵活的设计、小的声阻抗,以及宽响应频率和高化学稳定性,因此更适合应用于可穿戴电子、步行发电等应用。但与无机压电陶瓷或压电单晶相比,因其压电系数、介电常数很小,因此产生的功率密度一直偏低。

  最近,北京大学工学院董蜀湘教授课题组,在北京市科技专项资助下,研发了具有自主知识产权的3D打印设备,获得授权中国发明专利。利用自主研发的3D打印设备成功制备了多层PVDF-TrFE薄膜以及研制了具有弯张效应的橄榄球新颖结构压电能量收集器,其表观压电系数及功率密度获得了显著提升。实验结果表明3D打印的橄榄球能量收集器在频率为3.5 HZ,压强为0.046 MPa的机械压力下,可以产生88.6 Vp-p的峰值电压和0.35 mA的短路电流;它的单位面积峰值输出功率密度更是高达16.4 mW cm−2,这比其它柔性压电发电材料的功率密度高出一个量级,也和太阳能电池的功率密度相当。提出的3D打印多层柔性压电薄膜制备方法和橄榄球弯张机制能量采集设计,在未来的具有自传感、自供电功能的柔性可穿戴电子设备、无线传感器网络、自发电智能道路等,具有巨大发展潜力。

  能量回收器设计与性能测试图:(a)样品结构回收示意图;(b)能量回收器应用图;在3.5 HZ频率,不同负载阻抗条件下,能量回收输出功率(c)和电流(d)


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