美國克萊姆森(Clemson)大學奈米材料研究所(CNI)的科學家和學生研究團隊最近開發出了一種無線充電技術,可以將機械能轉化為電場,為3公尺(m)範圍內的電池或電容充電。

最近在《Advanced Energy Materials(先進能源材料)》上發表的一篇文章《A Wireless Triboelectric Nanogenerator(一種無線摩擦奈米發電機)》揭示了一種利用摩擦生電效應的元件——摩擦生電是指一種材料在摩擦接觸另一種不同材料時變得帶電的現象。當受到持續的機械運動(如手指敲擊)激勵時,這種無線摩擦奈米發電機(W-TENG)就可以產生高達2,000V的輸出電壓,峰值功率達到70mW,這足夠為現代物聯網(IoT)應用中的大多數無線感測器節點供電。

摩擦奈米發電機(TENG)的演進

摩擦生電並不是什麼新鮮事—日常生活中都會經歷到某種形式的摩擦生電,比如梳頭髮會產生靜電,在地毯上摩擦鞋子,甚至在頭上摩擦氣球也會產生靜電。這種現象早在18世紀就有文獻記載——瑞典物理學家Johan Carl Wilcke在1757年發表了第一篇關於摩擦生電的論文。

然而直到最近,業界才開始進行大量研究,在無線感測器網路(WSN)中利用TENG實現能量採集。

這項技術有可能採集環境中耗用的免費能量——例如人們行走時的振動、手壓和機械振動等——並將其轉化為可持續的微型電源,為不斷激增的數百萬計的感測器節點供電。

功耗和電池壽命是無線感測器節點大量部署的主要難題,這就是LPWAN技術如此受歡迎的原因——它具有長達10年的電池壽命,而且能夠遠距離傳輸資料。但是,若能夠在其使用壽命期間始終持續保持電池充電,那就更加理想,因為這樣就可以大大降低電池充電和更換的成本。能量採集對於感測和傳輸設備不能離線的應用場合特別有用,例如在醫療體域網(MBAN)應用中,需要對心臟重症加護症房(CCU)的患者進行無線心臟監測。

W-TENG

W-TENG可對本地儲能設備進行無線充電,甚至直接進行簡單的電能傳輸,這將具有更廣泛的應用前景。該大學發佈的視訊展示一名學生研究人員利用敲擊W-TENG元件為智慧鏡子遠端供電。

從事這項研究的博士生Sai Sunil Mallineni說:「它不僅可以提供電能,還可以將電場作為啟動遙控器使用,例如,可以敲擊W-TENG,將其電場用作打開車庫門的『按鈕』,或者可以啟動一個安全系統,這些全部無需電池,都是被動和無線的。」

W-TENG基於CNI的超簡單摩擦奈米發電機(U-TENG)——它由塗覆銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和Kapton電極構成,這些材料都可以從市場上購買到。W-TENG的底部電極不是由塑膠構成,而是由石墨烯和聚乳酸(PLA)的碳複合材料構成。3D印刷電極上覆蓋了一層鐵氟龍(Teflon),用來產生摩擦生電效應。

TENG有一個明顯的缺點:對於標稱功率,伴隨著高輸出電壓的是低輸出電流。利用縮小元件尺寸並將多個元件封裝在一起,以在輸出端降低電壓並提高輸出電流,這樣有可能解決這一問題。當然,電源管理電路對於為電池或電容充電是必需的。儘管如此,該技術仍將是無線感測器網路中各種能量採集技術——例如熱電發電機(TEG)、壓電材料,以及太陽光電電池等的強有力補充。

(參考原文: Triboelectric nanogenerator device produces power wirelessly through hand-tapping and gestures,by Aalyia Shaukat)