手指觸摸一下屏幕，就可以給手機充電？

導讀

手機又沒電了？電子設備的電池續航能力，一直是困擾用戶和設計者的關鍵點。圍繞這個主題，我介紹過多種創新解決方案。今天所要介紹的，是一種「低頻能量採集」的方案，形象點說，它可以讓你觸摸手機屏幕產生的機械能，轉化為可存儲在電池中的電能。

「低頻機械能採集」可以為下一代智能手機和平板電腦提供將近40%的能量需求。

（圖片來源於：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

先認識一個科學現象：壓電效應

壓電效應，是材料中一種機械能與電能互換的現象，此現象最早是1880年由皮埃爾·居里（PierreCurie）和雅克·居里（JacquesCurie）兄弟發現。壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差，稱之為正壓電效應；反之施加電壓，則產生機械應力，稱為逆壓電效應。

(圖片來源於：維基百科)

壓電發電，利用了壓電材料的正壓電效應，將機械振動能轉變為電能。所以，例如走路時踩踏、機械振動，甚至噪音等形式的振動能量，都可以被收集起來，轉化為電能。

低頻條件下換能器性能差

壓電效應設計中，一個很關鍵部件就是：換能器，它能將機械振動轉變為電信號。可是，目前的換能器設備有一個最大的共同點，就是在高頻條件下，高效運轉。但是低頻條件下，性能下降很快。

新型換能器設計

在討論新型換能器之前，先提及一下，此項目在三星資助下進行的。言歸正傳，該項目的主要設計是機械能換能器。該換能器由柔性、有機的離子二極體製成。

以下是原理的部分：離子二極體，由兩個納米複合材料電極組成，由聚碳酸酯膜隔開後，離子電荷的運動方向相反。電極是一種網狀聚合基質 ，填充了碳納米管，並且充滿離子液體。碳納米管提高了電極的導電性和機械強度。當機械力作用的時候，離子跨膜擴散，形成一個連續的直流電。同時，會形成一個對抗離子擴散的內建電場，直至達到平衡為止。這個完整的循環在操作頻率是十分之一赫茲（十秒一次）。

賓夕法尼亞州立大學的材料科學和工程專業的教授 Qing Wang，這麼說：

「我們的理念是設計一種特別的方法，將低頻運動例如人體運動或者海浪，轉化為電力。我們使用有機聚合物P-N結設備的原因就是這個。」

所以，根據賓夕法尼亞州立大學的材料科學家和電氣工程師團隊的說法，該項目的創新點，在於採集目前仍然因為低頻特性而被浪費的能量，使用它們為下一代電子設備提供能量。

為什麼說適用於下一代電子設備？

對於智能手機而言，手指觸摸屏幕時產生的機械能，會轉化為可存儲在電池中的電能。另外，其他類型的人體運動也可以給平板電腦或者可穿戴設備供電。

Wang 這麼說：

「因為設備是聚合物製成的，所以它柔軟，也較輕。當它集成到新一代的智能手機中的時候，我們希望它可以提供電池所需要的40%的能量。」

研究人員認為，該設備的能量密度峰值，總體來說，要大於那些在最有效頻率下運行的壓電發電機。所以，他們認為在低頻率條件下，該設備性能是最好的。

論文發表和研究人員團隊

這篇論文的題目為「用於低頻率機械能採集的柔性離子設備」，在線發表在《高級能源材料》雜誌上。

材料科學和工程學副教授 Michael Hickner，與他團隊的博士後Liang Zhu，一起設計了離子聚合物；電氣工程的特聘教授 Qiming Zhang，他的團隊主要負責設備的集成和性能。Wang 的小組包括論文合著者博士後 Qi Li 和畢業生 Yong Zhang，負責材料優化；其他的論文合著者還包括訪問學者 Ying Hou，最近的博士畢業生 Yue Zhou，以及訪問學者 Lu Yang，他們都 Zhang 教授團隊的成員。

這項研究得到了中國國家自然科學基金的支持。

應用領域和未來

該設備可以吸收環境中未被利用的機械能，包括風、海浪、人體運動，它吸收周圍環境中的機械能後，再將它轉化為電能，能夠廣泛應用於可穿戴設備、生物醫學感測器、物聯網等領域。

未來的工作包括：進一步的優化，以及將該設備集成進智能手機和平板電腦。

參考資料

【1】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201601983/abstract

【2】http://news.psu.edu/story/443072/2016/12/21/new-approach-captures-energy-slow-motion