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浙師大鄂世舉教授/納米能源所王中林院士 Nano Energy:高耐用性高輸出性能的交流型介電彈性體發(fā)電機
2023-03-10  來源:高分子科技

  介電彈性體發(fā)電機(Dielectric elastomer generator, DEG)是一種基于介電彈性體材料與柔性電極材料所構(gòu)成可變電容型發(fā)電機。基于介電彈性體材料自身的特點及其在靜態(tài)半靜態(tài)下具有的高的能量轉(zhuǎn)換效率等性能優(yōu)勢,使其特別適合于低頻和運動模式隨機性強的能量收集領(lǐng)域,DEG具有以下明顯優(yōu)勢:①具有極高能量密度(>100 mJ/g高拉伸、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕,易于制作和安裝,成本低。然而傳統(tǒng)的DEG研究中,需要數(shù)千伏的外接高壓電源,其輸出模式為直流脈沖輸出模式,簡單的說來傳統(tǒng)的DEG就是將高壓電源的電荷搬運到外接負(fù)載,即電荷的搬運工。為此,前期工作中,鄂世舉教授團(tuán)隊開發(fā)了一種基于交流模式的無源化介電彈性體發(fā)電機AC-DEG該型發(fā)電機既擺脫外接電源的限制依賴,又保證了高的電學(xué)性能(相關(guān)成果發(fā)表于Advanced Science, 2022, 9(18): 220109)為實現(xiàn)DEG的商業(yè)化,作為發(fā)電機的另外一個關(guān)鍵特性-耐疲勞性是必須解決的問題,相關(guān)研究甚少;制約相關(guān)研究難以推進(jìn)的原因在于,由于傳統(tǒng)DEG在保持高電學(xué)性能時,需要高的電壓和大拉伸形變,進(jìn)而很難提高的DEG的耐用性,既其性能與疲勞特性二者難以兼顧。


圖1 基于交流模式介電彈性體發(fā)電機的工作原理


  針對以上難題,鄂世舉教授團(tuán)隊首先基于實驗和理論研究發(fā)現(xiàn),不同于傳統(tǒng)DEGAC-DEG的電學(xué)性能主要受五個結(jié)構(gòu)參數(shù)影響,如圖1所示。基于此,通過系統(tǒng)分析AC-DEG的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其電學(xué)性能(電能變化和電荷輸出)的關(guān)系,建立其結(jié)構(gòu)理論模型,以指導(dǎo)分析交流模式下電荷轉(zhuǎn)移和發(fā)電機能量的變化。進(jìn)而,基于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和整體優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),以減小形變和電壓、提高電容容量的方法成功實現(xiàn)了兼具高耐用性和高電學(xué)性能(111 mJ/g、電荷密度5.6 mC/m2、和能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)51.8%)的AC-DEG研究。為驗證AC-DEG的耐疲勞特性,分別進(jìn)行了頻率實用性(0.4-1.5Hz)測試、環(huán)境濕度穩(wěn)定性測試、雙85老化測試并在常規(guī)環(huán)境條件下100天以驗證AC-DEG的穩(wěn)定性和耐用性。在100萬次的循環(huán)測試后,其能量密度變化和轉(zhuǎn)移電荷量仍保持在100 mJ/g4.6 mC/m2以上 。基于AC-DEG高的電學(xué)性能和耐用性,實現(xiàn)了無需外接有源能量管理電路即可為商用鋰離子聚合電池(20-50 mAh)有效充電。 


2 a,b AC-DEG的頻率適用性c,d 濕度穩(wěn)定性; e,f 85老化測試前后性能; g 在常規(guī)環(huán)境條件下100天的穩(wěn)定性; 連續(xù)循環(huán)運行100萬次性能變化;為商用鋰離子聚合物電池充電


  相關(guān)成果以“Fatigue-Resistant High-Performance Dielectric Elastomer Generator in Alternating Current Method”為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊Nano Energy上。浙江師范大學(xué)工學(xué)院副教授徐子盛、研究譚劍波陳浩杰為共同第一作者;浙江師范大學(xué)鄂世舉教授與中科院納米能源所王中林教授為共同通訊作者,浙江師范大學(xué)為論文第一署名單位;中科院納米能源所程廷海研究員和哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉立武教授在研究工作中給予了大力支持。鄂世舉教授團(tuán)隊針對該領(lǐng)域的研究始于2007年,目前獲得5項國家自然科學(xué)基金、5項省部級項目、和1項市重點研發(fā)項目的連續(xù)支持,目前基于AC-DEG已開發(fā)了用以收集人體機械能、低速風(fēng)能和波浪能的原型機。本研究工作的開展,向AC-DEG的商業(yè)化應(yīng)用更進(jìn)一步。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523001519

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