导读
手机又没电了？电子设备的电池续航能力，一直是困扰用户和设计者的关键点。围绕这个主题，我介绍过多种创新解决方案。今天所要介绍的，是一种“低频能量采集”的方案，形象点说，它可以让你触摸手机屏幕产生的机械能，转化为可存储在电池中的电能。
“低频机械能采集”可以为下一代智能手机和平板电脑提供将近40%的能量需求。
（图片来源于：Wang Lab/宾夕法尼亚州立大学）
先认识一个科学现象：压电效应
压电效应，是材料中一种机械能与电能互换的现象，此现象最早是1880年由皮埃尔·居里（PierreCurie）和雅克·居里（JacquesCurie）兄弟发现。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，称之为正压电效应；反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。
(图片来源于：维基百科)
压电发电，利用了压电材料的正压电效应，将机械振动能转变为电能。所以，例如走路时踩踏、机械振动，甚至噪音等形式的振动能量，都可以被收集起来，转化为电能。
低频条件下换能器性能差
压电效应设计中，一个很关键部件就是：换能器，它能将机械振动转变为电信号。可是，目前的换能器设备有一个最大的共同点，就是在高频条件下，高效运转。但是低频条件下，性能下降很快。
新型换能器设计
在讨论新型换能器之前，先提及一下，此项目在三星资助下进行的。言归正传，该项目的主要设计是机械能换能器。该换能器由柔性、有机的离子二极管制成。
以下是原理的部分：离子二极管，由两个纳米复合材料电极组成，由聚碳酸酯膜隔开后，离子电荷的运动方向相反。电极是一种网状聚合基质 ，填充了碳纳米管，并且充满离子液体。碳纳米管提高了电极的导电性和机械强度。当机械力作用的时候，离子跨膜扩散，形成一个连续的直流电。同时，会形成一个对抗离子扩散的内建电场，直至达到平衡为止。这个完整的循环在操作频率是十分之一赫兹（十秒一次）。
宾夕法尼亚州立大学的材料科学和工程专业的教授 Qing Wang，这么说：
“我们的理念是设计一种特别的方法，将低频运动例如人体运动或者海浪，转化为电力。我们使用有机聚合物P-N结设备的原因就是这个。”
所以，根据宾夕法尼亚州立大学的材料科学家和电气工程师团队的说法，该项目的创新点，在于采集目前仍然因为低频特性而被浪费的能量，使用它们为下一代电子设备提供能量。
为什么说适用于下一代电子设备？
对于智能手机而言，手指触摸屏幕时产生的机械能，会转化为可存储在电池中的电能。另外，其他类型的人体运动也可以给平板电脑或者可穿戴设备供电。
Wang 这么说：
“因为设备是聚合物制成的，所以它柔软，也较轻。当它集成到新一代的智能手机中的时候，我们希望它可以提供电池所需要的40%的能量。”
研究人员认为，该设备的能量密度峰值，总体来说，要大于那些在最有效频率下运行的压电发电机。所以，他们认为在低频率条件下，该设备性能是最好的。
论文发表和研究人员团队
这篇论文的题目为“用于低频率机械能采集的柔性离子设备”，在线发表在《高级能源材料》杂志上。
材料科学和工程学副教授 Michael Hickner，与他团队的博士后Liang Zhu，一起设计了离子聚合物；电气工程的特聘教授 Qiming Zhang，他的团队主要负责设备的集成和性能。Wang 的小组包括论文合著者博士后 Qi Li 和毕业生 Yong Zhang，负责材料优化；其他的论文合著者还包括访问学者 Ying Hou，最近的博士毕业生 Yue Zhou，以及访问学者 Lu Yang，他们都 Zhang 教授团队的成员。
这项研究得到了中国国家自然科学基金的支持。
应用领域和未来
该设备可以吸收环境中未被利用的机械能，包括风、海浪、人体运动，它吸收周围环境中的机械能后，再将它转化为电能，能够广泛应用于可穿戴设备、生物医学传感器、物联网等领域。
未来的工作包括：进一步的优化，以及将该设备集成进智能手机和平板电脑。
参考资料
【1】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201601983/abstract
【2】http://news.psu.edu/story/443072/2016/12/21/new-approach-captures-energy-slow-motion
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