2011年8月期刊俱乐部主题:利用软材料收集能源

能量收集是将原本会散发到周围环境中的能量转化为有用的能量来做功的过程。我将集中讨论基于动作的能量收集。基于运动的能量收集是将耗散的机械能转化为电能的过程。机械能的来源包括海浪、风、人体运动、车辆交通以及建筑物和桥梁的振动。这种能源无处不在，无处不在，然而，它是最不发达的能量收集技术之一。

传统的基于运动的能量收集方法采用压电、静电MEMS和电磁(EM)发生器作为转换介质。这些技术无法封装大量的机械能，因为它们要么太硬(压电)，要么太柔顺(静电MEMS和EM发生器)。这导致了较差的产量-尺寸能量转化率。典型的压电系统能够产生uJ(微焦耳)区域的产率，能量转换效率低于10%。电磁发电机能够在更大的范围内产生能量，但它需要一个巨大的系统来实现。电磁发生器的典型产率在系统mJ/g左右，转换效率约为20%。

我将重点介绍一种利用介电弹性体作为能量收集器的技术。该技术由Pelrine等人于2001年提出。介电弹性体是夹在柔性电极之间的聚合物薄膜。当受到穿过薄膜厚度的电压时，弹性体变薄并在面积上膨胀。它的作用是作动器。另一方面，当预拉伸和预充电的弹性体在开路条件下机械放松时，电极上的电压可能会提高。它像发电机一样工作。在Pelrine的工作(2001)中，他们使用了一层聚丙烯酸酯薄膜，高粘接(VHB)胶带(由3M公司制造)，并将薄膜夹在由碳脂制成的柔性电极之间。他们设法产生了5倍于输入电压的升压，并计算出了400 mJ/g的潜在能量转换能力。

受到他们工作的启发，我和我在哈佛大学和奥地利林茨的约翰-开普勒大学的同事们进行了理论计算，以估计使用介电弹性体发生器(DEG)可以转换的最大能量。我们假设，如果发生以下一种或多种情况，DEG将停止产生有用的能量:破裂、电气击穿、机电不稳定和失去张力。利用平衡热力学，我们估计VHB有可能产生1.7 J/g的能量，而天然橡胶产生的能量为1.3 J/g。由于该材料的机械和电耗散较大，我们预计VHB的实际良率将非常差。另一方面，天然橡胶由于其低耗散和高抗电击穿性，看起来是一种很有前途的材料。我们进一步提出转换能量与介电常数和介电强度的平方成线性关系。我们的分析表明，介电常数为6.0，介电强度为100 MV/m的材料，在100%应变下循环时能够转换1.0 J/g的能量。这种能量转换如果实现，将比目前的技术高出几个数量级。

在这个领域还有许多工作要做。介电弹性体的耗散机制尚不清楚。这阻碍了使用DEGs的能量收集系统的评估、设计和优化。此外，对介电弹性体作为发生器进行的实验仅限于VHB和硅弹性体。有大量的材料等着我们去发现。最后，弹性体材料的耐久性可能是决定这项技术是否成功的关键因素。必须更好地了解弹性体的断裂和疲劳。

参考文献
Pelrine et al.， Proc. SPIE4329，第148-156页，2001。
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