柔性可穿戴泛在湿气供能-传感一体化器件研究

孙浩1, 2, 3，杨锦添1，林佳雯1，东辉2, 3，高永卓2, 3，董为2, 3，何龙4，李文荣5（1.福州大学机械工程及自动化学院；2.哈尔滨工业大学机电工程学院；3.哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室；4.杭州智元研究院有限公司；5.香港城市大学机械工程系）

摘要：为解决可持续能源迫切需求，以离子浓度梯度能量采集理论为基础，研制一种新型泛在湿空气能量收集(Moisture energy generation, MEG)器件。器件选择羟基化碳纳米管作为发电功能材料，设计界面、梯度和电极(液态合金-银)三重不对称理化结构，有效增强离子扩散效率和浓度梯度。借助多场耦合仿真计算，解析器件内动态物理过程，量化离子浓度梯度对发电效能的关键影响。融合液态合金机械力涂覆、区域化等离子体表面处理等工艺制备了新型MEG 器件原理样机。由微观形貌、成分分析等表征测试结果可知，发电微结构界面稳定，制备工艺能够有效提高官能团分布梯度。当相对湿度为80%，MEG 器件开路电压为1.1 V，短路电流为260 μA，体积功率密度可至166.7 μW/cm3。采用并/串联模式，即可满足多数可穿戴电子设备的充电需求。器件能够在扭转、拉伸和弯曲等机械力致变形后，仍然能维持稳定的电力输出。可至少稳定供电近3 h，并可按需规模化扩展。此外，以可饮用果汁为待检样本，验证了“供能-传感”集成一体化双能MEG 器件的可行性。所述方法是传统发电与传感器技术的重要补充，在智慧、外骨骼机器人、环境与食品安全监测等方面具有广阔应用前景。

关键词：湿气发电；供能-传感一体化双能器件；柔性可穿戴器件