互联网
The Internet

“摩擦生电”能成可穿戴设备续航救星吗?

发布时间:2015-08-07 14:20

可穿戴式设备(也称“穿戴式装置”)产品正夯,但是电池续航力却是可穿戴式设备市场成长的一大罩门。如果穿戴者可以随时随地为自己的装置充电,穿戴式设备就不再需要以大颗的电池来延长续航力了!如果摩擦生电奈米发电机的技术,在未来可以达到商业化的标准,一切梦想都可以成真了!

根据市场研究机构IDC的报告,在2014年,穿戴式装置(基本型及智能型)的市场出货量约1,960万台,在2015年,预估出货量将成长至4,570万台,至2019年更上看1.26亿台(图一),而这五年的年平均复合成长率高达45.1%。

图一、IDC穿戴式装置预估出货量

如此乐观的预估,应是基于,在初期,人们对高科技产品的尝鲜及炫耀心理所建构出的消费行为,以及,以商品实用性甚至是必需品为导向的长期市场需求;而大家都很清楚的是,“实用性”才是穿戴式装置商品能够屹立不摇、生生不息的保证。

穿戴式装置的“实用性”指针,除了功能(function)之外,最为重要的就是“续航力”了。以目前最夯的Apple Watch来说,每天晚上都得脱下来充一下电,消费者已经稍嫌麻烦了,若是24小时监测的医疗照护穿戴装置,也需要每天脱下来充电才能续用,这种东西的实用性已经被大打折扣了。

以目前的产品表现来说,电池续航力的确是穿戴式装置市场成长的一大罩门。

要提升穿戴式装置的续航力,可以从二方面着手,一是设计极低耗电的传感器、处理器、通讯模块等组件,以及优化系统的电源管理;二是改良电池技术。

相较于半导体组件设计所获得的改良进展,电池技术则面临更多的挑战。现今厂商不仅要研发出续航力超强而且体积又小的电池,最好还能让电池具备可挠的特性,以搭配各种型态的穿戴式装置;而在未来,智能型穿戴式装置的功能势必更加强大,这也意味着装置内含的组件将会越来越多,结果就是耗电量将只会增不会减,因此,电池技术就必需要有重大的突破才能未雨绸缪。

延长穿戴式装置的续航力,除了等待新电池技术的支持之外,还可以透过“改变充电的方式”让使用者“有感”,例如,具备(远距)无线充电功能的穿戴式装置,就可以在“不必脱下”的情况下随时充电,永远turn on,但前提是需配合无线充电发射器的装设位置(如图二);若是依照“能量采集”(Energy Harvesting)的原理,将穿戴者本身产生的动能(摆动、摩擦)转换成电能来供电,则可以随时随地将电池充饱,而且也没有充电位置的限制,因此,穿戴式装置就可以全年无休的为您服务了。

图二、远距无线充电示意图

虽然能量采集的技术仍在研究阶段,但已有令人瞩目的突破进展,例如,美国乔治亚理工学院的王中林教授(Prof. Zhong Lin Wang)及其团队利用“摩擦生电效应”(Triboelectric Effect),以及“静电感应”(Electrostatic Induction)原理所设计出的摩擦生电奈米发电机(Triboelectric Nanogenerator;TENG)就是很好的例子,该团队在此研究议题上所获得的成果,已将单位面积发电密度(Area Power Density)提升到1,200 W/m2,能量转换效率(Energy Conversion Efficiency)也高达50%~80%,所提供的电量甚至可以点亮1,000颗绿光LED组件(如图三)。

图三、用鞋子撞击地板上的奈米发电机,产生的电量可以点亮1,000颗LED。

TENG不但牵涉到电学原理,更包含材料、化学、奈米技术。它的输出表现可以透过多种方法增强,包括材料选择、薄膜表面纹理形貌以及奈米化合物结构。

可运用的材质除了金属之外,还有聚酸甲酯(polymethylmethacrylate;PMMA;压克力)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene;PTFE;铁氟龙) 、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane;PDMS) 、聚酰亚胺薄膜(Kapton thin film)、氧化铟锡(indium tin oxide;ITO)及聚酯(polyester;PET)等等,差别在于,不同的材质会有不同的饱和摩擦电荷密度。

“能够产生大量电荷的输出取决于摩擦表面的性质。在聚合物薄膜的表面上采用奈米材料的图案增加了片材的接触面积,产生的电力可以有上千倍的差异”,所以为了增加接触面积,薄膜表面通常会设计成密布的锯齿、颗粒或长刷状等等。

TENG在2012年初发表后,经过不断的研究,已有数种不同的结构体态设计(图四),其单位面积发电密度(Area Power Density)在短短一年后就由3.67mW/m2上升到313W/m2(图五),进步幅度惊人。

图四、各式TENG结构

图五、TENG电源密度进展

TENG有四种基本的操作模式(图六),第一种为垂直接触-分离模式(Vertical Contact-Separation Mode),这是最早研发出的奈米发电机。两层薄膜在重复摩擦与分开的动作之际,可以产生交流电,图七为操作步骤。

图六、TENG的四种基本的操作模式

图七、垂直接触-分离模式

第二种为滑动模式(Lateral Sliding Mode),周期性的滑动也可以产生交流输出,而且可以设计为平面滑动(planar motion)、圆柱旋转(cylindrical rotation)或是平盘旋转(disc rotation),图八为操作步骤。

图八、滑动模式

第三种为单电极模式(Single-Electrode Mode),与上述二种模式的差别在于只有下层薄膜接负载,而上层薄膜则是自由上下移动的,所以此种模式可用于例如以指尖滑动摩擦生电的应用,图九为操作步骤。

图九、单电极模式

第四种为独立摩擦层模式(Freestanding triboelectric-layer mode),见图六(d),与上述三种操作模式最大的区别在于上下面板是不接触的,因此可以降低两层薄膜接触面的磨损率。

在当初开始研究TENG时,其目标就是为了要对传感器网络中的小型电子组件提供电源,而研发至今,已证实摩擦生电奈米发电机不仅能攫取小尺度的能量,也能收集大规模的能量,例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。

在2013年,王中林教授团队于ACS NANO期刊发表论文"Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energy and as Self- Powered Active Tactile Sensor System"(图十),将TENG置于人体皮肤之上,然后收集TENG与皮肤摩擦之后产生的电力,如此采集到的生物机械能可以点亮数十颗绿光LED,而这也让人体自我发电并供电给行动装置的实现可能性大幅上升。

图十、与皮肤摩擦的TENG

新加坡国立大学在2015年1月于IEEE MEMS 2015研讨会上,发表论文"Skin Based Flexible Triboelectric Nanogenerators with Motion Sensing Capability",更进一步将奈米发电机以贴片的方式黏在手臂或喉咙的皮肤上,光是拳头握紧或是讲话发声等这么简单不费力的动作,就可以产生7.3V~7.5V的电力;而在实验中,最高可产生90V及0.8mW的电力,已足够点亮12个商用LED灯。

这款发电贴片其尺寸仅如邮票一般大小,也因为采用金箔做为电极(图十一),而非使用材质较硬的氧化铟锡(ITO)做为电极,所以可以更易于贴合在皮肤之上,相对于之前所发表技术来说,更适合用于人体自我发电的应用。

图十一、以金箔做为电极

如果摩擦生电奈米发电机的技术在未来可以达到商业化的标准,那么,穿戴者就可以随时随地为自己的装置充电,而穿戴式装置就可以不再需要以大颗的电池来延长续航力了。

虽然摩擦生电奈米发电机的技术发展,不论是用于人体动能采集,或是用于自然风雨的能量采集,将继续面对许多务实问题的挑战,例如材料的稳定度、长期摩擦后的磨损率、高电压低电流的电源管理技术、能量储存技术、封装、连接或整合至装置等等问题,但不可否认的是,我们习以为常的摩擦生电现象,竟也有如此实用的潜力,微小的能量汇聚之后也有巨大的用处,未来还会发展到什么样的境界呢?嗯,不要被您的想象力给框限住了喔!

作者:谢锦星   来源:北美智权报

分享到:0


版权所有:北京企商在线数据通信科技有限公司 CopyRight 2000-2010 NETNIC.COM.CN ,Inc. All Rights reserved

企商在线通过ISO9001国际标准质量体系认证京ISP号 京B2-20060071 京ICP备020429号 京ICP证041498号 京公网安备110108002565号

投诉热线:137-1777-7871