一种可利用空气中水分发电实现自充电的超薄装置

想象一下，仅仅用海盐和一块织物等日常用品就能利用周围空气中的水分发电，甚至用一块像纸一样薄的无毒电池为日常电子设备供电。新加坡国立大学设计与工程学院的一组研究人员开发了一种新型的水分驱动发电（MEG）设备，该设备由一层薄薄的织物（约0.3毫米厚）、海盐、碳墨水和一种特殊的吸水凝胶制成。

MEG设备的概念是基于不同材料通过与空气中的水分相互作用而发电的能力之上。由于其具有在现实世界中被广泛应用的潜力，该领域受到了越来越多的关注，包括自供电设备，如健康监测器、电子皮肤传感器和信息存储设备等可穿戴电子设备。

当前MEG技术面临的主要挑战包括设备暴露于环境湿度时的水饱和和不令人满意的电气性能。因此，传统MEG设备产生的电力不足以为电气设备供电，也不可持续。

为了克服这些挑战，由CDE材料科学与工程系助理教授Tan Swee-Ching领导的一个研究团队设计了一种新型MEG设备，该设备包含两个不同性质的区域，以永久保持各区域的含水量差异，从而发电并允许长达数百小时的电力输出。

可自充电的长效织物电池

新加坡国立大学团队的MEG设备由一层薄薄的织物组成，织物上涂有碳纳米颗粒。在他们的研究中，研究小组使用了一种由木浆和聚酯制成的已商用的织物。

该织物的一个区域涂有吸湿离子水凝胶，被称为湿区。这种特殊的吸水凝胶使用海盐制成，可以吸收六倍于原始重量的水分，用于从空气中收集水分。

“之所以选择海盐作为吸水化合物，是因为它的无毒性，以及方便海水淡化厂处理产生的海盐和盐水，”Tan副教授分享道。

织物的另一端是不含吸湿离子水凝胶层的干燥区域。这是为了确保该区域保持干燥，水仅存在于潮湿区域。

一旦MEG设备组装好，当海水在潮湿区域被吸收时，海盐离子被分离，从而产生电能。带正电荷的自由离子（阳离子）被带负电荷的碳纳米颗粒吸收。这会引起织物表面的变化，在织物上产生电场。织物表面的这些变化也使其具有储存电能供日后使用的能力。

使用独特的干湿区域设计，新加坡国立大学的研究人员能够保持潮湿区域的高含水量和干燥区域的低含水量。即使潮湿区域处于水饱和时也能保持电输出。在开放潮湿的环境中放置30天后，水能保留在潮湿区域，证明了该设备在维持电输出方面的有效性。

“通过这种独特的不对称结构，我们的MEG设备的电气性能与之前的MEG技术相比有了显著改善，从而可以为许多常见的电子设备供电，如健康监测器和可穿戴电子设备，”Tan副教授解释道。

该团队的MEG设备还表现出高度的灵活性，能够承受扭曲、滚动和弯曲产生的应力。有趣的是，研究人员通过将织物折叠成一个纸鹤展示了其出色的灵活性，这也没有影响该设备的整体电气性能。

移动电源以及更多应用

MEG设备因其易于扩展和使用的商用原材料可立即得到应用。最直接的应用之一是用作移动电源，通过环境湿度直接为电子设备供电。

研究小组成员Zhang Yaoxin博士表示：“设备吸水后，一块尺寸为1.5×2厘米的发电织物可以在恒定的环境下提供高达0.7V的电力，可持续超过150小时。”

新加坡国立大学团队还成功展示了其新设备在为不同应用发电方面的可扩展性。新加坡国立大学团队将三块发电织物连接在一起，并将它们放入一个标准AA电池大小的3D打印盒中。经测试，组装好的设备的电压高达1.96V，高于商用AA电池的约1.5V，足以为闹钟等小型电子设备供电。

新加坡国立大学发明的可扩展性、获得商用原材料的方便性以及每平方米约0.15新元的低制造成本使MEG设备适合大规模生产。

“我们的设备以较低的制造成本显示出极好的可扩展性。与其他MEG结构和设备相比，我们的发明更简单，更容易扩展集成和连接。我们相信它具有巨大的商业化前景，”Tan副教授分享道。

审核编辑 ：李倩