軟裝置-可穿戴電子產品、植入物、軟機器人、感測器等等技術前景加速了對可變形能源的需求。可變形能源能夠將機械能轉換為電能的裝置可以實現自供電、無繩索和可持續的裝置。
來自北卡羅來納州立大學的學者介紹了一種完全柔軟和可伸縮(>400%應變)的能量採集器，該採集器基於可變面積雙電層電容器(≈40µF cm−2)。機械地改變EDL面積，從而改變電容，破壞平衡，併產生透過外部電路的電荷運動的驅動力。現有的EDL電容器透過抑制剛性電極之間的水滴來改變接觸面積。相反，在這裡，收割機由包裹在水凝膠中的液態金屬電極組成。用≈25%的應變使器件變形產生功率密度≈0.5 mW m−2。這種非傳統的方法很有吸引力，因為：(1)它不需要外部電源來提供電荷；(2)電極本身可以變形；(3)它可以在各種變形模式下工作，例如擠壓、拉伸、彎曲和扭曲。這種收集器在水下作業的獨特能力顯示出在接觸汗水、水下感測和藍色能源採集的可穿戴裝置中有很好的應用前景。相關文章以“A Soft Variable-Area Electrical-Double-Layer Energy Harvester”標題發表在Advanced Materials。
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https://doi.org/10.1002/adma.202103142
圖1.可變面積電容器的比較。在每種情況下，面積的變化都以綠色顯示。A)傳統的可變面積電容器。滑動電極會改變面積，從而改變電容。這些電容器使用剛性電極(灰色)。B)可變面積雙電層電容器(EDLC)。EDLC在水滴(藍色)和上下剛性電極(灰色)之間的介面形成。振盪頂部電極會改變頂部EDLC的面積，從而產生可變面積的電容器。
圖2.完全基於軟材料的能量收集器。A)展示其高度變形特性的裝置的照片。兩個包裹在聚丙烯醯胺水凝膠基質中的液態金屬電極產生兩個可變面積的EDLC。B)工作機制示意圖。拉伸增加了凝膠-金屬介面的面積，從而增加了電容，並驅動電荷在電路中運動。將電極釋放回其原始區域會使電荷返回到未變形的電極。C)平衡狀態下器件的電路表示(無電位梯度)。
圖3.EDLC能量收集器特性。A-D)輸出電流作為機械輸入的電極面積(A)、電解質濃度(B)、振幅(C)和頻率(D)的函式。E)裝置的電路模型，其中符號A表示短路電流的測量。F)試驗結果與模型結果的比較。模型資料符合線性方程，電流=0.0308×電極面積。G)水下軟EDLC能量收集器。
這項工作解決了傳統的可變面積靜電能量收集器的一些顯著缺陷。仍然存在挑戰和機遇：(1)隨著時間的推移，水凝膠中的水可能會蒸發，這可能會惡化凝膠的機械效能，並改變凝膠的離子導電性。以前對基於凝膠的裝置的研究已經透過使用氯化鋰鹽緩解了這一問題，這種鹽顯示了在環境條件下將水保留在凝膠中的能力，其相對溼度低至11.3%。離子凝膠也可能有助於解決這一挑戰。(2)已知鎵可以氧化，從而形成一種薄的鈍化氧化物。本文們觀察到，經過數千個週期後，其潛力略有下降，但隨著時間的延長，可能會有更多顯著的問題。原則上，人們可以探索其他材料，如離子液體或電池電解液，以延長操作電位。（文：SSC）
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