科学家发明了一种利用空气中的水分充电的“电池”

新加坡国立大学 (NUS) 设计与工程学院的一组研究人员开发了一种超薄设备，可利用空气中的水分 (MEG) 发电。 它由一层薄薄的约 0,3 毫米厚的织物、海盐、碳素墨水和一种特殊的吸水凝胶制成。 这项技术突破发表在科学杂志的印刷版上 先进材料 26 年 2022 月 日。 使用海盐作为环保吸湿剂，这种类似织物的“电池”提供比普通 AA 电池更高的电力输出。 它有可能用于为日常电子产品供电。

MEG 设备的概念基于各种材料通过与空气中的水分相互作用来发电的能力。 该领域之所以受到关注，是因为它有可能用于为各种设备供电，包括个人电子产品、电子皮肤传感器和信息存储设备。

现代 MEG 技术的主要问题是设备在环境湿度影响下的水饱和度和不令人满意的电气特性。 即，此类设备产生的电能是不可持续的，也不足以为设备供电。

为了克服这些挑战，由 CDE 材料科学与工程系副教授 Tan Swee Ching 领导的研究团队开发了一种新的 MEG 设备，该设备包含两个具有不同特性的区域。 NUS 团队的 MEG 装置由涂有碳纳米粒子的薄薄一层组织组成。 在他们的研究中，该团队使用了市售的木浆和涤纶织物。

组织的“湿”区域覆盖有吸湿性离子水凝胶。 由于使用海盐，一种特殊的吸水凝胶可以吸收其原始重量六倍的水分。 是他负责收集空气中的水分。 对面组织的“干燥”区域不含吸湿层。 这是必要的，以便水的吸收仅限于“湿”区域。

当海盐离子通过吸收“湿”区域中的水而分离时，就会产生能量。 带正电荷的自由离子（阳离子）被带负电荷的碳纳米颗粒吸收。 这会导致织物表面发生变化，从而在其上产生电场。 这些变化还允许组织储存能量供以后使用。

通过在织物上使用“湿”和“干”区域的组合，可以确保前者的高水分含量和后者的低水分含量。 这允许即使在“潮湿”区域被水饱和时也能保持电输出。 “电池”在开放、潮湿的环境中放置 30 天后，“潮湿”区域仍保留水分，证明了该设备在维持电力方面的有效性。

新加坡团队的设计还展示了高度的灵活性，能够承受扭曲、滚动和弯曲。 研究人员通过将其折叠成折纸鹤的方式展示了“电池”的灵活性，这并没有影响其性能。 由于易于缩放和商用原材料，MEG 设备可能已经适用。

“吸水后，一块 1,5x2cm 的能量产生织物可以在恒定环境下提供高达 0,7V 的电压超过 150 小时”，研究团队的张耀兴博士说。

NUS 团队还成功展示了他们的新能源设备在各种应用中的可扩展性。 NUS 团队将这种“织物”的三块连接起来，并将它们放置在一个标准 AA 电池大小的 3D 打印外壳中。 组装设备的电压为 1,96 V。

NUS发明的可扩展性、获得市售原材料的便利性以及低制造成本使得本发明适合大规模生产。 研究人员已经申请了专利，并计划探索实际应用的潜在商业化策略。

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