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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)成的可變電容型發(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具有極高的能量密度（>100 mJ/g）；②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)電機既擺脫了外接電源的限制和依賴，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，鄂世舉教授團隊首先基于實驗和理論研究發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)DEG，AC-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51.8%）的AC-DEG研究。為驗證AC-DEG的耐疲勞特性，分別進行了頻率實用性（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/g和4.6 mC/m2以上 ；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。 


圖2 a,b AC-DEG的頻率適用性; c,d 濕度穩(wěn)定性; e,f 雙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; h 連續(xù)循環(huán)運行100萬次性能變化;i 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、研究生譚劍波、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)用更進一步。


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

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