У новой, ультратонкой системы сбора и преобразования побочной энергии, разработанной в Наноматериалах Университета Вандербилт и энергетической Лаборатории Устройств, есть потенциал, чтобы сделать просто это. На основе технологии батареи и сделанный из слоев черного фосфора, который является только несколькими толстыми атомами, новое устройство производит небольшие количества электричества, когда это согнуто или нажато даже в чрезвычайно низкочастотной характеристике человеческого движения.«В будущем я ожидаю, что мы все станем взимающими складами для наших личных устройств, таща энергию непосредственно из наших движений и окружающей среды», сказал доцент Пинты Сборника решений канцлерского суда Машиностроения, который направил исследование.Новая система сбора и преобразования побочной энергии описана в газете, названной «Сверхнизкая Частота, Электрохимический Механический энергетический Комбайн Напряжения, используя 2D Нанолисты Черного фосфора» издал июнь 21 онлайн журналом ACS Energy Letters.
«Это – своевременное и увлекательное исследование, учитывая рост носимых устройств, таких как экзоскелеты и элегантная одежда, которая могла потенциально извлечь выгоду из достижений доктора Пинта в материалах и сбора и преобразования побочной энергии», наблюдал Карл Зелик, доцент машиностроения и биоинженерии в Вандербилте, эксперте по биомеханике передвижения, который не участвовал в разработке устройства.В настоящее время есть огромный объем исследования, нацеленного на обнаружение эффективных способов выявить окружающие источники энергии. Они включают механические устройства, разработанные, чтобы извлечь энергию из колебаний и деформаций; тепловые устройства нацелились на натяжение энергии от температурных изменений; сияющие энергетические устройства, которые захватывают энергию от света, радиоволн и других форм радиации; и, электрохимические устройства, которые выявляют биохимические реакции.
«По сравнению с другими подходами, разработанными, чтобы получить энергию от человеческого движения, у нашего метода есть два фундаментальных преимущества», сказала Пинта. «Материалы атомарно тонкие и достаточно маленькие, чтобы быть пропитанными в текстиль, не затрагивая вид или чувство ткани, и это может извлечь энергию из движений, которые медленнее, чем 10-герцевые – 10 циклы в секунду – по целому низкочастотному окну движений, соответствующих человеческому движению».Докторанты Нитин Мурэлидхаран и Менгья Ли co-led усилие сделать и проверить устройства. «Когда Вы смотрите на Усэйна Болта, Вы видите самого быстрого человека на Земле.
Когда я смотрю на него, я вижу, что машина работает на уровне 5 герц», сказал Мурэлидхаран.Извлечение применимой энергии от такого низкочастотного движения, оказалось, было чрезвычайно сложно. Например, много исследовательских групп развивают энергетические комбайны на основе пьезоэлектрических материалов, которые преобразовывают механическое напряжение в электричество. Однако эти материалы часто работают лучше всего на частотах больше чем 100 герц.
Это означает, что они не работают на больше, чем крошечная часть никакого человеческого движения, таким образом, они достигают ограниченных полезных действий меньше чем 5-10 процентов даже при оптимальных условиях.«Наш комбайн вычислен, чтобы работать в более чем 25-процентной эффективности в идеальной конфигурации устройства, и самое главное получить энергию через целую продолжительность даже медленных человеческих движений, таких как заседание или положение», сказал Пинт.Ультратонкий энергетический комбайн лаборатории Вандербилта основан на исследовании группы в области продвинутых систем клеточного содержания.
За прошлые 3 года команда исследовала фундаментальный ответ материалов батареи к изгибу и протяжению. Они были первыми, чтобы продемонстрировать экспериментально, что рабочее напряжение изменяется, когда материалы батареи помещены под напряжением.
Под напряжением напряжение повышается и под сжатием, это понижается.Команда сотрудничала с Грегом Уокером, адъюнкт-профессором машиностроения, который использовал компьютерные модели, чтобы утвердить эти наблюдения для литиевых материалов батареи. Результаты исследования были изданы 27 июня в журнале ACS Nano в статье, названной «MechanoChemistry Литиевых Электродов Батареи».
Эти наблюдения принудили команду Пинты восстанавливать батарею и с положительными и с отрицательными электродами, сделанными из того же самого материала. Хотя это препятствует тому, чтобы устройство хранило энергию, оно позволяет ему полностью эксплуатировать изменения напряжения, вызванные, сгибаясь и крутя и тем самым производить существенное количество электрического тока в ответ на человеческие движения.Начальные исследования лаборатории были опубликованы в 2016. Они были далее вдохновлены параллельным прорывом группой в Массачусетском технологическом институте, которая произвела устройство размера почтовой марки из кремния и лития, который получил энергию через Пинту эффекта, и его команды занимались расследованиями.
В ответ исследователи Вандербилта решили пойти максимально худые при помощи нанолистов черного фосфора: материал стал последним любимым 2D научного сообщества материалов из-за его привлекательных электрических, оптических и электрохимических свойств.Поскольку основные стандартные блоки комбайна – о 1/5000-м толщина человеческих волос, инженеры могут сделать свои устройства как тонкие или как толстые по мере необходимости для определенных заявлений. Они нашли, что изгиб их устройств прототипа производит целых 40 микроватт за квадратный фут и может выдержать текущее поколение по полной продолжительности движений, столь же медленных как 0,01 герц, один цикл каждые 100 секунд.
Исследователи признают, что одни из трудностей, с которыми они сталкиваются, являются относительно низким напряжением, которое производит их устройство. Это находится в диапазоне милливольта. Однако они применяют свое фундаментальное понимание процесса, чтобы увеличить напряжение.
Они также исследуют дизайн электрических деталей, как ЖК-мониторы, которые работают в ниже, чем нормальные напряжения.«Один из рецензентов пэра для нашей статьи поднял вопрос безопасности», сказал Пинт. «Это не проблема здесь. Батареи обычно загораются, когда положительные и отрицательные электроды закорочены, который зажигает электролит. Поскольку у нашего комбайна есть два идентичных электрода, закорачивание его сделает не что иное как запретит устройству сбор урожая энергии.
Верно, что наш прототип загорится, если Вы подвергнете его паяльной лампе, но мы можем устранить даже это беспокойство при помощи твердотельного электролита».Одно из более футуристических применений этой технологии могло бы быть наэлектризовано, одев. Это могло привести в действие одежду, пропитанную жидкокристаллическими дисплеями, которые позволяют владельцам изменять цвета и образцы с сильным ударом по их смартфону. «Мы уже измеряем уровень на приблизительной оценке для требования к питанию для ЖК-монитора малой мощности среднего размера, измеряя работу к толщине и областям одежды, которую мы носим».
Пинт сказал.Пинта также полагает, что есть возможное применение для их устройства вне энергосистем. «Когда включено в одежду, наше устройство может перевести человеческое движение на электрический сигнал с высокой чувствительностью, которая могла обеспечить хронологическую запись наших движений.
Или одежда, которая отслеживает наши движения в трех измерениях, могла быть объединена с технологией виртуальной реальности. Есть много направлений, что это могло пойти».
Докторанты Вандербилта Рэйчел Картер, в настоящее время постдокторский исследователь в Военно-морской Научно-исследовательской лаборатории, и Николас Гэлайото, студенческий студент машиностроения также способствовал исследованию, которое было поддержано CMMI 1400424 гранта Национального научного фонда и программой гранта открытия Университета Вандербилт.