中國研究團隊開發可伸縮濕氣發電機 具備穩定電力輸出能力

中國研究人員開發出一款全可拉伸的濕氣發電機，旨在使可穿戴電子設備在重複彎曲和拉伸的情況下持續運行。來自哈爾濱工業大學的團隊表示，該裝置克服了水凝膠基濕氣電發電機面臨的最大挑戰之一，即水凝膠與電極層之間的粘附性不足。粘合不良常常導致電氣輸出不穩定和機械故障。由於水凝膠濕氣電發電機能夠將環境中的濕氣轉換為電力，並且保持柔軟和靈活，因此受到了越來越多的關注。這類系統正被探索用於可穿戴電子產品、植入設備以及需要輕便和持續電源的健康監測技術。

然而，許多現有系統在重複拉伸、扭曲或彎曲後難以保持穩定輸出。研究人員指出，水凝膠與電極之間的界面相互作用較弱，常常增加電阻並導致層間分離，從而限制了電氣性能和長期耐用性。

新型濕氣發電機的技術突破

為瞭解決這一問題，研究人員設計了一種高粘附性的水凝膠，以加強功能層與電極之間的界面。該水凝膠在水-甘油溶劑中膨脹，並與液態金屬和可拉伸銀電極相集成，以構建發電機。根據研究，甘油的添加使水凝膠內部暴露出更多的氫鍵結合基團，增加了水凝膠與電極之間的接觸點。這改善了粘附性，同時降低了界面電阻，幫助離子在拉伸狀態下更有效地通過設備。研究人員還發現，甘油提高了水凝膠對乾燥、凍結和膨脹的抵抗力，使其能夠在不同環境條件下長期穩定運行。

該團隊使用實驗和模擬來驗證系統性能，報告指出，這種粘附性水凝膠降低了界面阻抗，並提高了離子運輸效率，與傳統結構相比有顯著改善。

採用 AIMD 模擬和 DFT 計算，研究人員進一步確認了強化的水凝膠-電極界面使離子遷移速度更快，並降低了離子移動的能量障礙。根據研究人員的報告，該設備達到了超過 0.94 伏特的輸出電壓和每平方釐米 141 微安培的電流密度。團隊表示，即使在系統經歷重複變形的情況下，電氣輸出仍然保持穩定。該發電機還展示了強大的機械耐久性。在經過 1,040 次拉伸循環後，系統仍然穩定運行。

即使在以 180 度角進行 8,000 次彎曲循環後，研究人員也觀察到性能降級微乎其微。

可穿戴電子設備的未來應用前景

研究人員認為，這項技術能夠支持在日常運動中需要靈活和穩定能源來源的可穿戴電子設備。研究中提到的潛在應用包括呼吸監測系統和自供電健康傳感器。通過穩定水凝膠-電極界面，研究人員表示，這項工作提供了一種更廣泛的策略，以改善軟電子系統的可靠性，因為機械應力往往會隨著時間的推移損害性能。這一方法還能幫助指導未來在苛刻環境和機械條件下運行的靈活能源設備的開發。該研究發表在《Nano-Micro Letters》期刊上。