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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電機
            2023-03-10  來源:高分子科技

              介電彈性體發電機(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成可變電容型發電機;介電彈性體材料自身的特點及其在靜態、半靜態下具有的高的能量轉換效率等性能優勢,使其特別適合于低頻和運動模式隨機性強的能量收集領域,DEG具有以下明顯優勢:①具有極高能量密度(>100 mJ/g;高拉伸、結構簡單、體積小、質量輕,易于制作和安裝,成本低。然而,傳統的DEG研究中,需要千伏的外接高壓電源,其輸出模式為直流脈沖輸出模式,簡單的說來傳統的DEG就是將高壓電源的電荷搬運到外接負載,即電荷的搬運工。為此,前期工作中,鄂世舉教授團隊開發了一種基于交流模式的無源化介電彈性體發電機AC-DEG,該型發電機既擺脫外接電源的限制依賴,又保證了高的電學性能(相關成果發表于Advanced Science, 2022, 9(18): 220109)。為實現DEG的商業化,作為發電機的另外一個關鍵特性-耐疲勞性是必須解決的問題,相關研究甚少;制約相關研究難以推進的原因在于,由于傳統DEG在保持高電學性能時,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現,不同于傳統DEG,AC-DEG的電學性能主要受五個結構參數影響,如圖1所示;诖,通過系統分析AC-DEG的結構參數與其電學性能(電能變化和電荷輸出)的關系,建立其結構理論模型,以指導分析交流模式下電荷轉移和發電機能量的變化。進而,基于系統調節和整體優化結構參數,以減小形變和電壓、提高電容容量的方法成功實現了兼具高耐用性和高電學性能(111 mJ/g、電荷密度5.6 mC/m2、和能量轉換效率高達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、環境濕度穩定性測試、雙85老化測試并在常規環境條件下100天以驗證AC-DEG的穩定性和耐用性。在100萬次的循環測試后,其能量密度變化和轉移電荷量仍保持在100 mJ/g4.6 mC/m2以上 ;AC-DEG高的電學性能和耐用性,實現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 濕度穩定性; e,f 85老化測試前后性能; g 在常規環境條件下100天的穩定性; 連續循環運行100萬次性能變化;為商用鋰離子聚合物電池充電


              相關成果以“Fatigue-Resistant High-Performance Dielectric Elastomer Generator in Alternating Current Method”為題發表在國際權威期刊Nano Energy上。浙江師范大學工學院副教授徐子盛、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大學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域的研究始于2007年,目前獲得5項國家自然科學基金、5項省部級項目、和1項市重點研發項目的連續支持,目前基于AC-DEG已開發了用以收集人體機械能、低速風能和波浪能的原型機。本研究工作的開展,向AC-DEG的商業化應用更進一步。


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

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