手机没电了?跺跺脚就能充,新型发电地板或可为智能家居无限供电

学术头条

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· 9月7日

一跺脚,啪,灯就亮了。

文 | 学术头条,作者 | 郝景,编辑 | 寇建超

跺跺脚、踩踩地板,家里的冰箱、电视、手机、电脑就都能充上电,你敢信?

地板是我们每天都会踩一踩、却基本上不会主动去关注的东西,更不用说将其与“发电”联系在一起了。

但你没有听错,地板确确实实可以用来发电。

近日,来自苏黎世联邦理工大学的 Guido Panzarasa 博士及其团队、合作者,就制造出了一种可发电放入地板——功能化木材摩擦电纳米发电机(functionalized wood triboelectric nanogenerator,FW-TENG)。

据了解,FW-TENG 有着比传统 TENG 高出 80 倍以上的摩擦电输出,未来可用于为家用设备供电、驱动微型电致变色窗,以及调节室内照明等。

相关研究论文以“Functionalized wood with tunable tribopolarity for efficient triboelectric nanogenerators”为题,已发表在科学期刊 Matter 上。

高端却又接地气

这种听起来很高大上的发电地板,发电却是通过我们生活中最常见的“摩擦电”。比如当你梳头发时就会产生摩擦静电,梳子会把头发“带”起来。

因为通过摩擦,头发失去了一些电子,而梳子得到了一些电子,此时梳子带负电、头发带正电,才有了摩擦起电的现象。由于两种异性电子的相互吸引,头发丝才会被梳子“带”起来。

而这种发电地板,也正是通过人们脚踩地板时产生摩擦电,并将其输出而“发电”的。

图|通过踩踏可以使地板发电,因此电灯会亮(来源:该论文)

研究人员使用 ZIF-8(一种金属有机框架材料)颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)对两块木板进行了表面改性(表面改性是指,在保持材料或制品原性能的前提下,赋予其表面新的性能,比如亲水性、抗静电性等),因此木板表面的化学和形态变化增加了木材在周期性“接触-分离”中失去(ZIF-8@wood)或获得(PDMS@wood)电子的能力,从而产生了电量。

金属电极被连接在两块木板功能化贴面的背面,通过外部电路收集和转移静电感应电荷,因此可以产生电流,从而具有发电的功能。
图|用ZIF-8@wood和PDMS@wood制作的FW-TENG的原理图(来源:该论文)

图|用ZIF-8@wood和PDMS@wood制作的FW-TENG的原理图(来源:该论文)

该 FW-TENG 的工作原理是通过接触带电和静电感应的耦合效应。

当带正电的 ZIF-8@wood 与带负电的 PDMS@wood 摩擦接触,相反的静电荷由接触带电产生。电子从 ZIF-8@wood 表面转移到 PDMS@wood 表面上,产生完全平衡的静电成对电荷。在这个阶段,外电路中没有电流。

一旦两层分离, PDMS@wood 表面的负电荷不能被 ZIF-8@wood 表面的负电荷补偿,导致上下电极之间产生电位差。同时,在静电感应的作用下,电极上会产生相反的电荷。为了屏蔽该电位差,静电感应自由电荷将通过外部负载在两个导电电极之间流动。

在此过程中产生电流和电压输出,直到两个电极的电位再次达到平衡。

一旦 ZIF-8@wood 回归方法 PDMS@wood ,电位差将开始减小,驱动电荷向相反的方向回流,直到达到原始状态,导致反向电输出。

图|摩擦电气化过程的示意图表示。(来源:该论文)

相关研究已经证明, TENG 中的内部电路是由位移电流决定的,而在外部电路中观察到的电流是电容导通电流。如下图所示,内部电路和外部电路在两个电极处汇合形成一个回路。因此,位移电流是电流产生的内在物理核心,电容导通电流是位移电流的外在表现形式。

图|功能化木材的工作机制示意图。(来源:该论文)

发电地板不可小觑

在该论文中,研究人员提出,通过组装许多大规模优化的 FW-TENG,串联或并联连接更多元件,可以最大限度地提高电输出,从而为更多能源密集型设备供电。

因此,研究人员制作了一个摩擦电木制地板演示器,由 6 个电连接优化的 FW-TENG 制成。其中,导线从铜箔中引出,直接连接到家用灯上,当人在木板上行走时,灯很容易就能变亮。

其次,这种 FW-TENG 可以为智能电致变色窗户供电,以调节太阳光的透射率,降低照明能耗。(电致变色窗户是一种在施加电压时变暗,去掉电压时变成透明的新型智能节能窗。)

这种 FW-TENG 不仅能实时供电,还可以将产生的电能储存在电容器中。简单来说,就是该 FW-TENG 可以给电池充电。就像给台灯供电,没有电池的台灯只能在接通电源的情况下使用,而有电池的台灯可以在充电一段时间后断开电源使用,而 FW-TENG 的作用就是电源。

如下图所示,刚开始计算器是没有电的,在反复按下演示器几秒钟,然后将计算器连接到要供电的电容器上,计算机可显示数字。这些概念验证应用证明了大规模 FW-TENG 在智能建筑中的适用性。

图|该 FW-TENG 可以为电容器充电(来源:该论文)

除了能发电,地板也可以很智能

早在 2013 年德国 Hasso Plattner 研究院就研发出一款基于“重力空间”的智能地板。这是一种通过压敏传感器和摄像头跟踪技术,以准确追踪房间内人和家具的高分辨率的压敏地板。

这种技术可以广泛地应用到家庭安全、自动化以及互动游戏等领域。比如当老年人摔倒以后,地板可以自动报警。通过身份识别系统可以判断地上站着的是哪个家庭成员等。

但是这种智能地板需要在玻璃地板下安装昂贵的电子元件,维护也很困难,只能算是一款概念演示产品,这个地板可以说一点儿也不“接地气”,不能“飞入寻常百姓家”。

无独有偶,2014 年欧洲 Fraunhofer Institute 开发了 CapFloor 智能地板,这种压敏地板的底层由金属丝构成感应模块,人体接触后,电场发生变化,从而触发整个模块系统,功能与上述德国的地板类似。

(来源:Communications in Computer and Information Science)

更令人满意的是,这种材料并不需要在地板下安装昂贵又难以维护的传感器和电子元件,仅需铺设金属导线等,因此费用大大降低,使智能地板产品在实用化上迈出了一大步。

这种地板的安全性也相对较高,最高也只能产生 30 伏的电压,而普通平板电脑都能产生 20 伏的电压,由此可见这种地板对人体基本不会产生伤害。

当前,国内厂商在地板智能化的开发上主要聚焦在采暖方面,例如可以自发热的地板,兼具了地板和地暖设施的双重功效。

虽然很多人认为智能化地板普及的可能性不大,甚至认为是地板厂商营销的“噱头”,但未来智能家居的发展是一个趋势。就像手机可以与空调互联、远程控制空调温度开关等,或许以后手机也可以控制这种智能化的地板,使其在发电、监测以及自动化等方面有一定的发展。

科技和生活总是相辅相成。在不久的将来,这种地板或许可以通过人体的踩踏压力或者其他方式,源源不断地给整个家庭供电,使得人体的化学能再次转化为电能循环利用,节约我们地球上仅有的资源,为人类的发展作出贡献。

所以,你会考虑在家里铺上这样的地板吗?

  • 参考资料:
    https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00393-3
    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778819338289
    https://ifb.ethz.ch/woodmaterialsscience/people/group-leaders/gudo-panzarasa.html
    https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-33533-4_3
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