納米壓電發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用
來源：上海納動納米位移技術(shù)有限公司
2018年05月08日 13:34
納米技術(shù)作為21世紀(jì)的一個重要新興科技領(lǐng)域，在理論與實踐上正經(jīng)歷著高速的發(fā)展。隨著大量新型納米材料與器件不斷被開發(fā)出來，納米科技在材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、信息科學(xué)、電子技術(shù)、生物遺傳、生物醫(yī)學(xué)、高分子化學(xué)以及國防和空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出的應(yīng)用前景。納米級的傳感器敏感度高，功耗低、體積微小，它們可以用于檢測某種疾病血液中的分子信號，記錄空氣中的有毒氣體含量，追溯食物中污染物的來源等等。但這種傳感器的運行必須有電池和集成電路的支持，這使得它們很難達到*的zui小化。目前正在研究的微電池包括太陽能微電池、鋰離子電池、燃料電池等。太陽能電池可對安放在室外工作的無線傳感節(jié)點或航空航天設(shè)備上的微型傳感器實現(xiàn)長期供電，但其受天氣、應(yīng)用場所限制，對于植入系統(tǒng)（如*，植入式檢測傳感器等）難以實現(xiàn)供能要求。燃料電池和鋰離子電池能量密度較低，電池壽命有限。MEMS器件的微型化、集成化發(fā)展要求工作壽命不斷延長，使用數(shù)量迅速增加，使得給獨立電源微器件更換電池或充電較為困難[1]。因此開發(fā)出將運動、振動、流體等自然存在的機械能轉(zhuǎn)化為電能給自己提供電源的器件，從而實現(xiàn)無需外接電源的納米器件，達到器件和電源的同時小型化將會是一個必然趨勢。這一技術(shù)在大大減小電源尺寸的同時提高能量密度與效率，在集成納米系統(tǒng)的微型化方面將產(chǎn)生深遠的影響。本文簡述了納米壓電發(fā)電的技術(shù)背景和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，介紹了納米壓電發(fā)電的工作原理并例舉了壓電發(fā)電的應(yīng)用，這對我國開展自備電源的相關(guān)研究有較大借鑒價值。
1 國內(nèi)外研究狀況
從1880年居里兄弟在石英晶體中發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)開始，人們便一直致力于將機械能轉(zhuǎn)換成為電能的研究。近幾十年來，利用壓電材料將環(huán)境中的機械能轉(zhuǎn)換為電能的研究越來越受人們的重視，國內(nèi)外許多科學(xué)家對壓電材料的實驗研究都已經(jīng)證明壓電材料有著廣泛的用途，對壓電材料特性的研究和發(fā)電能力的研究與探討也已經(jīng)獲得了實質(zhì)性的效果，這些為實現(xiàn)壓電材料發(fā)電在實際中的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于壓電發(fā)電與能量存儲技術(shù)的研究在美國、日本、荷蘭、以色列、西班牙等許多國家已經(jīng)逐步深入，并且取得了一定的實驗成果，但國內(nèi)壓電發(fā)電技術(shù)的研究尚處于起步階段[2]。近年來，壓電材料向更微觀的尺度發(fā)展，半導(dǎo)體和壓電學(xué)結(jié)合新生出了納米壓電電子學(xué)，使自供電納米發(fā)電機有了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。然而對于在體積上有更高要求的納米壓電發(fā)電技術(shù)現(xiàn)在還處于萌芽階段，2009年韓國三星綜合技術(shù)研究院的科學(xué)家在《*材料》上發(fā)表了相關(guān)報道。2011年美國和我國的科學(xué)家合作研究并報道了以氧化鋅納米線為基礎(chǔ)的一種壓電納米發(fā)電機，實現(xiàn)了在納米尺度上把機械能轉(zhuǎn)化為電能。日、美、歐等發(fā)達國家對于壓電發(fā)電自助供電系統(tǒng)進行了多年研究，取得了良好進展，尤其是日本在應(yīng)用方面走在世界前列。該納米發(fā)電機的理論發(fā)電效率可達到17%～30%，具有較高的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，易于實現(xiàn)真正的微型化，這為利用人體運動進行活體體內(nèi)發(fā)電開辟了技術(shù)路線。
2 納米壓電發(fā)電的工作機理――壓電效應(yīng)
壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。對某些電介質(zhì)施加機械力使其形變，會引起其內(nèi)部正負(fù)電荷重心相對位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成比例。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象[3]。而準(zhǔn)確地說，納米壓電發(fā)電技術(shù)是利用壓電材料（氧化鋅）的正壓電效應(yīng)，將機械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢崿F(xiàn)發(fā)電的功能。
氧化鋅納米線具有壓電效應(yīng)以及半導(dǎo)體的雙重特性，*種特性使它們能對機械壓力產(chǎn)生電反應(yīng)，這便使它們能像機械傳感器一樣工作。而第二種特性意味著它們可以作為集成電路中的基本元件，包括晶體管和二極管。它們能與金屬形成具有單向?qū)щ娦再|(zhì)的肖特基勢壘，實現(xiàn)電荷的積累到釋放。*的雙重特性使納米壓電器并不需要額外的電能，它們能夠?qū)⑺鶄蓽y到的機械壓力轉(zhuǎn)化為電能而為自己供能，從而完成機械能到電能的轉(zhuǎn)變。常規(guī)的壓電材料如PTZ等，通常為絕緣體。盡管將它們彎曲或壓縮也能產(chǎn)生電勢變化，但由于它們無法與金屬形成具有單向?qū)щ娦再|(zhì)的肖特基勢壘，因而無法實現(xiàn)電荷積累到釋放這一轉(zhuǎn)變過程。因此目前研究的利用常規(guī)壓電材料作電源都需要一個復(fù)雜的外接電路來實現(xiàn)電荷的積累，很難達到器件真正的微型化。更重要的是，常規(guī)壓電材料由于化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很難合成出高質(zhì)量的具有納米尺度的結(jié)構(gòu)。而氧化鋅作為一種新型半導(dǎo)體壓電材料，具有比較簡單的化學(xué)成分與晶體結(jié)構(gòu)，能夠合成出一系列不同形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，并能較好地控制其純度、尺寸、形貌以及晶體結(jié)構(gòu)[4]。
3 納米壓電發(fā)電的主要應(yīng)用
3.1 生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用
生物體的各種運動能產(chǎn)生大量的能量。以人為例，血液的流動產(chǎn)生的能量約為0.93mW，呼吸也能產(chǎn)生0.83mW的能量，人行走可以產(chǎn)生67W的能量。人體內(nèi)血壓的變化，血液的流動，肌肉的伸縮，肺葉的擴張等等均能帶動納米發(fā)電機上細(xì)小的納米線來回彎曲，從而產(chǎn)生電能。而這些電能則可以直接供給植入人體的其他器件，如*或者其他原位探測傳感器等。由于能量的來源是人體本身的運動，這種電源無需更換，從而可以大大減低患者的痛苦并降低醫(yī)療成本。
3.2 路面或地板振動發(fā)電
將納米壓電發(fā)電裝置鋪設(shè)于路面內(nèi)，通過車輛行走路面振動產(chǎn)生電能。所產(chǎn)生的電能經(jīng)過電路調(diào)整可充當(dāng)?shù)缆窡艟吆推渌O(shè)施的工作電源，也可供給儲能裝置加以存儲和利用。2011年5月14日，我國擁有首塊“發(fā)電地板”，只要有人在地板上動就會使LED燈點亮 。
3.3 汽車輪胎
壓電發(fā)電裝置隨機械振動源振動產(chǎn)生電能，非特定振動源會因振幅與頻率變化范圍太大，輸出的電壓不容易率地轉(zhuǎn)換與收集，因此壓電發(fā)電常以特定的振動源為對象。例如汽車行進時車輪的運動頻率與人的行走相比較穩(wěn)定，配合胎壓計成為免電池式的汽車胎壓監(jiān)控系統(tǒng)。法國Michelin公司設(shè)計的此類產(chǎn)品zui先使用于賽車輪胎中，同時已獲得多項。即使在頻率變化較大的情況下，汽車輪胎等重負(fù)荷物體運動時由于具有相對大的機械能，仍能產(chǎn)生足夠大的電能輸出。
3.4 日常生活中的應(yīng)用
納米發(fā)電機在人們的日常生活中將能夠發(fā)揮巨大的作用。納米壓電發(fā)電能利用環(huán)境中的機械振動發(fā)電，如人行走時鞋子的彎曲可以發(fā)電從而給腳底保暖。利用衣服的運動從而制造出保暖衣，利用行走時帶動手機振動發(fā)電，可以給手機電池充電。維基尼亞科學(xué)家HENRY.A SODANO利用壓電材料制作的發(fā)電系統(tǒng)給電池充電，得出壓電振子在諧振工作條件下給一個40mAh電池充電時間不到1h，利用隨機頻率充電需要1.5h的結(jié)果。
3.5 聲波壓電發(fā)電
美國德克薩斯A&M大學(xué)教授泰希.卡金的一項發(fā)明可讓手機用戶在說話時產(chǎn)生的聲波通過微型壓電裝置轉(zhuǎn)變成電能，從而使手機常用而不斷電。此發(fā)現(xiàn)將對開發(fā)低耗電的電子產(chǎn)品具有深遠意義，由此可開發(fā)出自我供電的手機、筆記本電腦、大量其它與電腦有關(guān)的電子產(chǎn)品。
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