导读
目前，许多能量采集装置都无法有效利用人体的低频运动产生的能量。然而，最近美国范德堡大学纳米材料和能量装置实验室的研究人员开发出一种超薄的新型能量采集系统，它基于电池技术，由二维材料黑磷组成，能够有效利用极低频率的人体运动，产生电力。
关键字
自供电、电池、二维材料
因此，从如此低频的运动中提取有用的能量是极具挑战性的。举例来说，目前许多个研究小组开发了基于压电材料的能量采集器，将机械应变转化为电力。但是，这些材料的最佳工作频率通常高于100赫兹。也就是说，它们并不适用于任何人体运动。所以，即使在最优条件下，它们能够达到的极限效率也低于5%~10%。
创新
为了解决上述问题，最近美国范德堡大学纳米材料和能量装置实验室的研究人员开发出一种新型超薄能量采集系统。这种新型设备基于电池技术，由几层只有几个原子厚度的黑磷组成。即使受到极低频率的人体运动所产生的弯曲或按压，它也可以产生少量电力。
（图片来源于：John Russell / 范德堡大学）
（图片来源于：John Russell / 范德堡大学）
团队与机械工程专业副教授 Greg Walker 展开合作。他采用计算机模型验证了这些对于锂电池材料的观测。研究结果发表在《ACS Nano》杂志上，文章标题为《锂电池电极的可调谐的力化学》“Tunable Mechanochemistry of Lithium Battery Electrodes”。
这些观测让 Pint 的团队使用同一材料制造正负电极，重新构造了电池。尽管这样阻止了设备存储能量，但是它能充分利用由弯曲和扭曲引起的电压变化，从而产生大量的电流，以响应人体运动。
该实验室的初步研究在2016年发表。同时，他们进一步受到了麻省理工学院的一项突破性研究的启发。麻省理工学院的研究人员通过硅和锂制造出了一个邮票大小的设备，该设备能够采集能量，并且正是通过Pint和他的团队正在研究的效应。
作为回应，范德堡大学的研究人员决定通过使用黑磷纳米片使得设备尽可能变薄。黑磷是二维材料研究界最新的宠儿，它具有引人注目的电学、光学和电化学特性。
（图片来源于：纳米材料和能量装置实验室 / 范德堡大学）
因为采集器的基本构建模块厚度是人类头发丝的1/5000，所以工程师们能够根据具体应用的需求，控制设备的厚度。他们发现，弯曲这种原型设备可产生每平方英尺达40微瓦的能量，在频率低至0.01赫兹（每100秒一个周期）的完整运动时间内，持续地产生电流。
（图片来源于：纳米材料和能量装置实验室 / 范德堡大学）
（图片来源于：John Russell / 范德堡大学）
范德堡大学机械和生物医学工程专业的助理教授、运动生物力学专家 Karl Zelik（他并没有参与该设备的开发）评论说：
“可穿戴设备例如外骨骼和智能衣服的日益增多，它们有望从Pint 博士在材料和能量采集方面的研究进展中受益，所以这是一项十分及时且激动人心的研究。”
（图片来源于：范德堡大学）
（图片来源于：范德堡大学）
Pint 说：
“我们大概根据中等尺寸的低功耗LCD显示器的电力需求，评估其性能，通过我们所穿衣服的面积和厚度调整性能。”
参考资料
【1】https://news.vanderbilt.edu/2017/07/21/device-harvests-electricity-human-motion/
【2】Nitin Muralidharan, Mengya Li, Rachel E. Carter, Nicholas Galioto, Cary L. Pint. Ultralow Frequency Electrochemical–Mechanical Strain Energy Harvester Using 2D Black Phosphorus Nanosheets. ACS Energy Letters, 2017; 1797 DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00478
