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北京大学董蜀湘教授课题组利用自主研发的3D打印设备制备高功率密度柔性压电能量回收器并取得重要进展
2019-11-05  来源:中国聚合物网

  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。

董蜀湘教授课题组成果在线发表于《能源与环境科学》

  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)

  这项研究成果也证明3D打印工艺是一种简单、有效的方法,在未来的柔性、微电子器件制备领域也有应用前景。该成果在线发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, IF= 33.25),题目为“The large piezoelectricity and high power density of a 3D-printed multilayer copolymer in a rugby ball-structured mechanical energy harvester”。该成果第一作者是北京大学工学院材料系17级博士生袁小婷董蜀湘教授是论文唯一通讯作者。研究获得了国家自然科学基金委(51772005,51132001)、北京市科技专项、磁电功能材料与器件北京市重点实验室、新奥能源科技的资助。

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