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纳米压电发电技术及应用

作者: 谢欢 涂宽胜 赵莹 古晓琴

  摘 要: 纳米技术的飞速发展极大地促进各类传感器系统的微型化、集成化,纳米级传感器具有敏感度高,功耗、尺寸小等宏观传感器所不完全具备的独特优势,然而目前为这些先进的纳米器件供电的依然是常规的宏观电源,这严重阻碍器件的纳微型化,主要概括当前国内外纳米压电发电技术的研究进展,介绍纳米压电发电的工作机理及主要应用典例。
  关键词: 纳米科技;压电发电;压电效应;氧化锌
  中图分类号:O482.41 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)1210038-01
  纳米技术作为21世纪的一个重要新兴科技领域,在理论与实践上正经历着高速的发展。随着大量新型纳米材料与器件不断被开发出来,纳米科技在材料科学、凝聚态物理学、信息科学、电子技术、生物遗传、生物医学、高分子化学以及国防和空间技术等众多领域中展现出前所未有的应用前景。纳米级的传感器敏感度高,功耗低、体积微小,它们可以用于检测某种疾病血液中的分子信号,记录空气中的有毒气体含量,追溯食物中污染物的来源等等。但这种传感器的运行必须有电池和集成电路的支持,这使得它们很难达到完全的最小化。目前正在研究的微电池包括太阳能微电池、锂离子电池、燃料电池等。太阳能电池可对安放在室外工作的无线传感节点或航空航天设备上的微型传感器实现长期供电,但其受天气、应用场所限制,对于植入系统(如心脏起搏器,植入式检测传感器等)难以实现供能要求。燃料电池和锂离子电池能量密度较低,电池寿命有限。MEMS器件的微型化、集成化发展要求工作寿命不断延长,使用数量迅速增加,使得给独立电源微器件更换电池或充电较为困难[1]。因此开发出将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能给自己提供电源的器件,从而实现无需外接电源的纳米器件,达到器件和电源的同时小型化将会是一个必然趋势。这一技术在大大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率,在集成纳米系统的微型化方面将产生深远的影响。本文简述了纳米压电发电的技术背景和国内外的研究现状,介绍了纳米压电发电的工作原理并例举了压电发电的应用,这对我国开展自备电源的相关研究有较大借鉴价值。
  1 国内外研究状况
  从1880年居里兄弟在石英晶体中发现了压电效应开始,人们便一直致力于将机械能转换成为电能的研究。近几十年来,利用压电材料将环境中的机械能转换为电能的研究越来越受人们的重视,国内外许多科学家对压电材料的实验研究都已经证明压电材料有着广泛的用途,对压电材料特性的研究和发电能力的研究与探讨也已经获得了实质性的效果,这些为实现压电材料发电在实际中的应用打下了坚实的基础。目前,关于压电发电与能量存储技术的研究在美国、日本、荷兰、以色列、西班牙等许多国家已经逐步深入,并且取得了一定的实验成果,但国内压电发电技术的研究尚处于起步阶段[2]。近年来,压电材料向更微观的尺度发展,半导体和压电学结合新生出了纳米压电电子学,使自供电纳米发电机有了相关的理论基础。然而对于在体积上有更高要求的纳米压电发电技术现在还处于萌芽阶段,2009年韩国三星综合技术研究院的科学家在《先进材料》上发表了相关报道。2011年美国和我国的科学家合作研究并报道了以氧化锌纳米线为基础的一种压电纳米发电机,实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能。日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统进行了多年研究,取得了良好进展,尤其是日本在应用方面走在世界前列。该纳米发电机的理论发电效率可达到17%~30%,具有较高的能量密度和转换效率,易于实现真正的微型化,这为利用人体运动进行活体体内发电开辟了技术路线。
  2 纳米压电发电的工作机理――压电效应
  压电效应分为正压电效应和逆压电效应。对某些电介质施加机械力使其形变,会引起其内部正负电荷重心相对位移而产生极化,导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与外力成比例。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象[3]。而准确地说,纳米压电发电技术是利用压电材料(氧化锌)的正压电效应,将机械振动能量转变为电能,实现发电的功能。
  氧化锌纳米线具有压电效应以及半导体的双重特性,第一种特性使它们能对机械压力产生电反应,这便使它们能像机械传感器一样工作。而第二种特性意味着它们可以作为集成电路中的基本元件,包括晶体管和二极管。它们能与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒,实现电荷的积累到释放。独特的双重特性使纳米压电器并不需要额外的电能,它们能够将所侦测到的机械压力转化为电能而为自己供能,从而完成机械能到电能的高效转变。常规的压电材料如PTZ等,通常为绝缘体。尽管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化,但由于它们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒,因而无法实现电荷积累到释放这一转变过程。因此目前研究的利用常规压电材料作电源都需要一个复杂的外接电路来实现电荷的积累,很难达到器件真正的微型化。更重要的是,常规压电材料由于化学成分及晶体结构较复杂,很难合成出高质量的具有纳米尺度的结构。而氧化锌作为一种新型半导体压电材料,具有比较简单的化学成分与晶体结构,能够合成出一系列不同形貌的氧化锌纳米结构,并能较好地控制其纯度、尺寸、形貌以及晶体结构[4]。
  3 纳米压电发电的主要应用
  3.1 生物医学中应用
  生物体的各种运动能产生大量的能量。以人为例,血液的流动产生的能量约为0.93mW,呼吸也能产生0.83mW的能量,人行走可以产生67W的能量。人体内血压的变化,血液的流动,肌肉的伸缩,肺叶的扩张等等均能带动纳米发电机上细小的纳米线来回弯曲,从而产生电能。而这些电能则可以直接供给植入人体的其他器件,如心脏起搏器或者其他原位探测传感器等。由于能量的来源是人体本身的运动,这种电源无需更换,从而可以大大减低患者的痛苦并降低医疗成本。
  3.2 路面或地板振动发电
  将纳米压电发电装置铺设于路面内,通过车辆行走路面振动产生电能。所产生的电能经过电路调整可充当道路灯具和其他设施的工作电源,也可供给储能装置加以存储和利用。2011年5月14日,我国拥有首块“发电地板”,只要有人在地板上动就会使LED灯点亮 。
  3.3 汽车轮胎
  压电发电装置随机械振动源振动产生电能,非特定振动源会因振幅与频率变化范围太大,输出的电压不容易高效率地转换与收集,因此压电发电常以特定的振动源为对象。例如汽车行进时车轮的运动频率与人的行走相比较稳定,配合胎压计成为免电池式的汽车胎压监控系统。法国Michelin公司设计的此类产品最先使用于赛车轮胎中,同时已获得多项专利。即使在频率变化较大的情况下,汽车轮胎等重负荷物体运动时由于具有相对大的机械能,仍能产生足够大的电能输出。
  
  3.4 日常生活中的应用
  纳米发电机在人们的日常生活中将能够发挥巨大的作用。纳米压电发电能利用环境中的机械振动发电,如人行走时鞋子的弯曲可以发电从而给脚底保暖。利用衣服的运动从而制造出保暖衣,利用行走时带动手机振动发电,可以给手机电池充电。维基尼亚科学家HENRY.A SODANO利用压电材料制作的发电系统给电池充电,得出压电振子在谐振工作条件下给一个40mAh电池充电时间不到1h,利用随机频率充电需要1.5h的结果。
  3.5 声波压电发电
  美国德克萨斯A&M大学教授泰希.卡金的一项最新发明可让手机用户在说话时产生的声波通过微型压电装置转变成电能,从而使手机常用而不断电。此发现将对开发低耗电的电子产品具有深远意义,由此可开发出自我供电的手机、笔记本电脑、大量其它与电脑有关的电子产品。
  4 结语
  压电发电是一种绿色环保的新能源发电技术,具有很好的发展前景,必定会是将来新能源开发工程中的一个重要部分。而随着纳米技术、器件微型化等领域的发展,纳米压电发电将半导体和压电学结合是必然的趋势。纳米压电发电的高效能量转换功能使纳米器件的工作系统和电源供给系统同时微纳型化,保持了自备电源的完整、纳米系统的微小、可体内植入等特性,无论是在生物、军事、无线通信、无线传感方面都具有广阔的应用前景。
  
  
  参考文献:
  [1]褚金奎、杜小振、朴相镐,压电发电微电源国外研究进展[J].压电与声光,2008,30(1):22.
  [2]胡敏、何元庭、吴婷、邓任华等,压电发电技术的现状及展望[J].绿色科技,2010,10:165.
  [3]张福学、王丽坤,现代压电学[M].北京:科学出版社,2001:179-193.
  [4]王中林,压电式纳米发电机的原理和潜在应用[J].物理,2006,35(11):
  897.

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