隨著微小型、可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，以及低能耗分布式傳感器需求的與日俱增，從周圍環(huán)境中收集能量，為低功耗的電子產(chǎn)品供能，發(fā)展自供能技術(shù)，吸引了研究人員廣泛的關(guān)注。機(jī)械運(yùn)動在自然環(huán)境中普遍存在，是綠色、廣泛的能量來源。傳統(tǒng)電磁發(fā)電需要復(fù)雜的設(shè)備，而基于固固界面的摩擦產(chǎn)電，在長期摩擦過程中也存在材料磨損的問題，基于固液界面動態(tài)雙電層的機(jī)械能產(chǎn)電有望解決上述問題，然而動態(tài)雙電層產(chǎn)電機(jī)理仍不明確，產(chǎn)電性能也有待進(jìn)一步提高。
青島能源所綠色反應(yīng)分離與過程強(qiáng)化技術(shù)中心李朝旭研究員帶領(lǐng)的高端材料制造研究組，針對動態(tài)雙電層產(chǎn)電瓶頸，利用離子液體（IL）部分溶解和融合纖維素納米纖維（CNFs），制備了具有高壓縮回彈性和高離子導(dǎo)電能力的CNFs多孔離子凝膠；同時，通過IL摻量調(diào)控了鎵銦合金液態(tài)金屬（EGaIn）與離子凝膠的界面潤濕性，使EGaIn在外部機(jī)械力作用下，可以進(jìn)入離子凝膠內(nèi)部孔道；撤銷外部作用力后，EGaIn可以依靠內(nèi)凝聚力完全撤離凝膠孔道，恢復(fù)原有形態(tài)。以EGaIn為動態(tài)電極，固態(tài)金屬鉑為固定電極，受力過程中EGaIn與多孔離子凝膠雙電層發(fā)生變化，引起電荷移動而產(chǎn)電。深入研究表明，EGaIn動態(tài)電極與鉑固定電極表面的雙電層在時空上的非對稱性是產(chǎn)電的關(guān)鍵。通過優(yōu)化條件，產(chǎn)電電流高達(dá)25 μA cm–2、功率達(dá)4 mW cm–2，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)36%。該研究不僅為構(gòu)筑高壓縮回彈的導(dǎo)電離子凝膠提供了有效策略，也有望為環(huán)境能量收集和無源傳感提供新途徑。相關(guān)成果近期發(fā)表在Advanced Function Materials.
基于液態(tài)金屬與多孔離子凝膠動態(tài)雙電層的機(jī)械能產(chǎn)電機(jī)制及功能示意圖
上述研究獲得國家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者計劃、山東省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會、青島能源所強(qiáng)基計劃等項(xiàng)目和計劃的經(jīng)費(fèi)支持。
