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新型多功能材料可同时将太阳能、热能和动能转化为电能

近日,芬兰奥卢大学的白洋博士及其团队发展了一种新型的多功能材料,在同一材料上可同时将太阳能、热能和动能转化为电能。

人的周围分散着很多耗散和浪费掉的环境能量,如太阳能、环境中因温度改变而产生的热能,机器、人体运动而产生的动能等。这些能量可以收集起来并转化为可用的电能,用来供给便携式或可穿戴设备(包括生物医疗传感器、智能手表等)和其他无线传感网络(如物联网、智能城市等)。这种将废弃的环境能转换为电能的技术称为能量采集技术,是将来可以取代电池的永久型电源,即在很长一段时间内(至少20年以上)不用充电、不用更换、不用维护。

以当前的能量采集技术发展水平,人们只能使用特定的材料去转化指定的能量形式。比如,基于半导体材料的太阳能板只能用来采集太阳能和其他可见光能,利用电磁效应(如发电机、风电机等)只能采集动能(或称为机械能),特殊的合金材料采集热能等等。

然而,在现实中很多情况下,只采集单一的能量形式是不够的。特定的一种能量不可能时时刻刻存在。例如在室内或阴雨天,可利用的太阳能只有晴天时的0.04%至1%,并且太阳能板在夜晚不能工作;环境温度在一天中并不总是时时刻刻变化;人们需要休息,不是每时每刻运动来产生动能。因此,能量采集技术必须发展一种新的材料,可用来同时采集不同形式的能量,以达到最高的效率及环境能量利用率。

钙钛矿型结构的材料具有采集不同形式能量的潜质,但并不能同时采集。某些类型钙钛矿结构的材料善于采集太阳能,但是不能有效采集动能或热能;另一些则相反,善于采集动能及热能,但不能吸收太阳能中的可见光部分,即太阳光中的大部分能量。

白洋博士等人发现,KNBNNO材料是对当前钙钛矿结构材料的一种突破。KNBNNO是材料中6种化学元素的缩写,即代表钾、钠、钡、铌、镍、氧。这种新型的材料同时具备优良的压电及热释电性能,用来有效采集动能和温度波动产生的热能,并适用于可见光范围内半导体禁带的带宽,用于有效吸收可见光。他们仅利用同一材料即可收集三种不同形式的能量,大大提高了能量采集技术的效率及实用发电能力,并可以大大简化传统多源能量采集器的内部结构,降低设计及生产的成本。当阴雨天或夜晚不能采集太阳能时,该材料可以采集因温度改变而产生的热能;这种材料在人们休息时可以采集太阳能;在热能和太阳能都很少的时候,可以通过人体运动来弥补能量的不足,可以看作是一种万能的能量采集材料。

正如上文提到的,这种新型的多功能材料可作为电池的补充,甚至取代电池成为无线传感网络及可穿戴设备的永久性电源,大幅度延长设备的待机时间,无需频繁充电。相关成果近期发表在Advanced Materials 上,第一作者和通讯作者均为白洋博士。

该研究得到欧盟地平线2020计划提供的资金支持。

来源:20171218X一MOL资讯

 
12/18/2017
 
 
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