Новый 3D-материал собирает энергию из движений тела
Исследовательская группа DGIST разработала носимое устройство, которое собирает электрическую энергию, используя только движения тела. Этот трехмерный растягивающийся пьезоэлектрический сборщик энергии крепится к коже или одежде, и произведенная энергия может питать электронные устройства.
Как правило, сборщики энергии бывают двух типов: одни работают на трибоэлектрическом эффекте, другие — на пьезоэлектрическом. Трибоэлектрический эффект — это электризация, при которой определенные материалы при трении друг о друга приобретают электрический заряд. Пьезоэлектрический эффект генерирует электрический заряд при приложении механического напряжения.
Разработанное устройство работает на пьезоэлектрическом эффекте, генерируя электричество от физических нагрузок, таких как движения конечностей. Хотя несколько исследований были сосредоточены на пьезоэлектрических сборщиках энергии, большинство из них используют органические или композитные пьезоэлектрические материалы.
Такие устройства оказались неэффективными в сборе энергии от движений тела, что в конечном итоге ограничило их использование в носимых устройствах.
Чтобы преодолеть эти ограничения, команда ученых под руководством профессора Чан Кён Ина использовала цирконат-титанат свинца, материал с высокой пьезоэлектрической эффективностью. Хотя он довольно эффективен, он твердый и хрупкий, что затрудняет его встраивание в растягиваемые устройства.
Поэтому экспериментаторы создали из PZT (Piezoelectric Transducer) трехмерную структуру, нечувствительную к деформации, которая обеспечивает высокую энергоэффективность и растяжимость. Команда также представила новый дизайн соединительных электродов с учетом кривизны. Эта конструкция разделяет электроды на секции, чтобы гарантировать, что электричество не будет отменено.
Данные изменения создали высокоэффективный растягивающийся пьезоэлектрический сборщик энергии, который вскоре может быть запущен в коммерциализацию. Этот сборщик энергии в 280 раз более эффективен, чем обычные сборщики.
«Разработка этой высокоэффективной технологии растягивающегося пьезоэлектрического сбора энергии является крупным достижением нашего исследования. Мы ожидаем, что эта технология станет полезной после коммерциализации и приведет к практическому использованию носимых сборщиков энергии», — говорят ученые.
Статья об исследовании была опубликована в журнале ACS NANO. (Junwoo Yea, Jeongdae Ha, Kyung Seob Lim, Hyeokjun Lee, Saehyuck Oh, Janghwan Jekal, Tae Sang Yu, et al. «Curvature-Specific Coupling Electrodes Design for Stretchable Three-dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator». DOI: 10.1021/acsnano.4c09933)