跳到主要内容

话题

纳米材料

纳米材料

碳 - 纳米管纱将运动转化为电力

29 Aug 2017
扫描来自碳纳米管制成的纱线的电子显微镜图像
旋转纱线:Tumpron很快就能远程传感器

科学家们一直在努力开发将机械能从环境转换成电能的新方法。现在,美国和韩国的研究人员发现,在非常小的尺度上,它们可以通过与电解质接触的碳纳米管制成的纱线来产生记录的功率水平。他们说他们的“twistron”设备非常适合于在工业和其他设备中供电的远程传感器,以及能够从海浪和身体运动中挖掘能量。

机械能通常使用发电机转换成电能,通过在磁场中移动导体来利用电磁感应原理来产生电流的装置。然而,虽然能够在大尺度上接近100%的效率,但是发电机越来越难以构建,并且由于它们的尺寸仅为几毫米或厘米,因此效率低下。

这是Twistron旨在操作的规模。由开发 Ray Baughman. 在达拉斯和同事的德克萨斯大学,新装置每单位重量产生比以前在1赫兹和几十赫兹之间的能量收割机的重量更多的能量。随着研究人员所指出的,这种频率范围包括自然界的许多前后运动,包括人类的行走和呼吸。

电容效果

每个Twistron通过旋转数十亿个碳纳米管 - 空心圆柱体,其中碳壁只有一个厚度厚度 - 进入高强度纱线,直径几十或数百微米,并用电解质围绕它们。电解质中的水在电解质中的纱线和离子的表面上产生非常薄的屏障,从而形成不需要外部充电的电容器。然后扭转纤维然后将纱线较近的电荷拧紧在一起,因此减少了装置’S电容并增加连接电路中的电压,导致电流流动。

博恩曼’S团队设计了Twistron,使其在拉伸时扭曲,鉴于来自大多数外部运动来源的能量最好通过拉伸力挖掘。为此,研究人员在制造过程中旋转纱线,使它们形成一个线圈。

他们发现,对于每公斤纱线可以产生大约250W的峰值电力。到目前为止,他们将自己限制在非常少量的纱线上,但使用重量约为35毫克的Twistron - 关于两个储物的质量 - 它们能够为LED供电。他们认为该输出也足以每10秒传输载有2kB信息的射频信号超过100米。它们争辩说,他们的技术非常适合在被称为物联网的设备的无线连接的设备网络中为传感器提供供电。

人造肌肉

在这种情况下,他们说明,Tuchron将用凝胶形式的电解质涂覆,并且可以钩住响应环境中的温度波动的聚合物 - 基于聚合物的人工肌肉 - 所以消除了需求在远程传感器中安装和更换电池。虽然它们使用超过100°C的波动实现了峰值,但是,研究人员表示,如果它们足够长,肌肉可以响应几度的变化。

汤姆克鲁肯金 威斯康星大学 - 麦迪逊没有参与研究,同意为移动传感器提供电力“一个明显的可能性之一”对于Tuttrons。他还认为,例如,使用胸部的上下运动可以将新设备纳入衣服中,以便为心脏监测器提供动力。但要注意,在这种情况下,可用的力量可能非常有限 - “well below a watt”, he says.

对于扭曲的一个明显的应用是从海浪产生电力,因为在这种情况下,海水将用作电解质,并且不需要涂覆纱线。集团成员德克萨斯大学的施惠金基集团通过安装10厘米长,1毫克三毫克的船舶在韩国海岸的海上,附着装置’在海底上的低端延伸到海底的重量及其上端到水面上的气球’S表面。他发现气球的上下运动长达一个四分之一的扭转运动,在该过程中产生1.8μW的平均功率。

主要障碍

金’S的同事卡特海恩斯,也在德克萨斯大学,承认该技术目前面临两个主要障碍。其中一个是效率 - 大规模的速度通常仅将大约1%的机械能转化为电力。竞争对手“triboelectric”相比之下,设备可以转动用于将两种不同材料一起摩擦到电能中的大约10%的能量。

然而,甚至可能是更有问题的是制造过程,这是非常能密集的,因此非常昂贵。根据 Matteo pasquali.,世卫组织在美国稻米大学旋转的纱线,生产成本需要下降“大约三个数量级以下r&D prices” - 每公斤几百美元 - 如果Twistron Wave Power在兆瓦规模上可行。

因此,Haines说,Tuchrons可能最适合利基市场。例如,他说,他们可以为监测气候或追踪鱼类运动的浮标提供免维护力。尽管如此,他和他的同事正在努力提高效率并降低成本。“我们现在的目标是使用与较低的成本材料相同的方法,” he says.

研究描述了 科学 .

©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者