2022
09/22
相关创新主体

创新背景

电力是人类生活不可或缺的重要能源,以往的发电方式带来的环境损失太大,科学家们一直在寻找新的发电方式,从周围环境中开发新能源,并减少对特定环境的依赖和影响。

 

创新过程

新加坡国立大学(NUS)设计与工程学院的研究团队充分利用周围环境,开发出一种新的湿气驱动发电(MEG)设备,可利用空气中的水分发电。该设备由一层厚度仅为0.3毫米的织物构成,含有海盐、碳墨水和特殊的吸水凝胶。

新设备能够通过利用周围空气中的水分来发电,只需使用海盐和一块织物,甚至用像纸一样薄的无毒电池就可为日常电子产品供电。MEG设备的可用基础是不同材料可通过与空气中水分的相互作用产生电力的能力。由于这一概念在现实世界中被广泛应用,该领域一直受到越来越多的关注,包括自供电设备,如健康监视器等可穿戴电子设备、电子皮肤传感器和信息存储设备。

MEG技术面临的主要挑战包括暴露于环境湿度和电气性能不理想的设备水饱和度。因此,传统MEG设备产生的电力不足以为电气设备供电,也不可持续。为了克服这些挑战,研究小组设计了一种新型MEG装置,其中包含两个具有不同性质的区域,以永久保持不同区域之间的含水量差异,以发电并允许数百小时的电力输出。这一技术突破成果于2022年5月26日发表在科学杂志《先进材料》的印刷版上。

MEG设备由一层薄薄的织物组成,使用的是一种由木浆和聚酯制成的市售织物,该织物涂有碳纳米颗粒。织物的一个区域涂有吸湿性离子水凝胶,该区域被称为湿区域。使用海盐制成的特殊吸水凝胶可以吸收其原始重量的六倍以上,并从空气中收集水分。织物的另一端是干燥区域,不包含吸湿性离子水凝胶层。这是为了确保该区域保持干燥,研究人员将水限制在潮湿区域。

研究人员表示,海盐被用作吸水化合物是因为它具有无毒的特性,并且有可能为海水淡化厂处理产生的海盐和盐水提供可持续的选择。使用海盐作为环保吸湿剂,新型可充电的织物状“电池”提供的电输出比传统AA电池更高,可能为日常电子产品供电。

MEG装置组装好后,当海盐的离子被分离时,潮湿区域吸收水就会产生电力。带正电荷的自由离子被带负电荷的碳纳米颗粒吸收会导致织物表面发生变化,产生电场。织物表面的这些变化使织物能够储存电力供以后使用。 

使用独特的干湿区域设计,研究人员能够在潮湿区域保持高含水量,在干燥区域保持低含水量。即使潮湿区域被水饱和,也可以维持电力输出。在开放潮湿的环境中放置30天后,水仍然保持在潮湿区域,证明了设备在维持电输出方面的有效性。

与以前的MEG技术相比,这种独特的不对称结构显著提高了MEG设备的电气性能,从而可以为健康监视器和可穿戴电子设备等许多常见的电子设备供电。新MEG设备具有高度的灵活性,并且能够承受扭曲、滚动和弯曲的应力。研究人员将织物折叠成折纸起重机也不会影响设备的整体电气性能。

 

创新关键点

研究创新使用海盐和织物制成超薄自充电设备,并在设备上区分出独特的干湿对称结构,保持设备的含水量,在分离海盐离子时通过吸收空气中的水分产生电力,提高设备的电气性能。

 

创新价值

充分利用生活环境中的要素开发清洁电气能源,有助于缓解电力供给压力,为开发清洁能源提出新的可用途径。

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