Thomas Metke (đại học Vanderbilt) cho biết, các thiết bị thu thập năng lượng cực mỏng được dán trên khuỷu tay của mình. Khi gập cánh tay, thiết bị tạo ra tín hiệu được hiển thị trên màn hình máy tính.

Tác giả: John Russell, Đại học Vanderbilt

Một hệ thống thu hoạch năng lượng mới cực mỏng được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Vật liệu nano và Thiết bị Năng lượng đại học Vanderbilt dựa trên công nghệ pin và được làm từ các lớp photpho đen chỉ dày cỡ vài nguyên tử, thiết bị mới tạo ra một điện tích nhỏ khi bị uốn cong hoặc ép thậm chí ở các chuyển động cực nhỏ của con người.

"Trong tương lai, tôi hy vọng rằng tất cả chúng ta sẽ tự sạc điện được cho các thiết bị cá nhân của mình bằng cách thu năng lượng trực tiếp từ chuyển động và môi trường xung quanh", Giáo sư Cary Pint, Kỹ sư Cơ khí, người chỉ đạo nghiên cứu cho biết.

Hệ thống thu hoạch năng lượng mới được mô tả trong một bài báo có tên là "Máy phân tích năng lượng cơ học điện phân tần số cực thấp, sử dụng các phiến nano từ phốt pho đen (công nghệ vật liệu 2D)" công bố trên tạp chí ACS Energy Letters .

Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra những cách hiệu quả để khai thác các nguồn năng lượng xung quanh. Bao gồm các thiết bị cơ khí được thiết kế để trích xuất năng lượng từ rung động và biến dạng; Thiết bị nhiệt nhằm mục đích kéo năng lượng từ các biến đổi nhiệt độ; Các thiết bị năng lượng bức xạ thu lấy năng lượng từ ánh sáng, sóng vô tuyến và các dạng bức xạ khác; Và, các thiết bị điện hóa khai thác phản ứng sinh hóa.

"So với các phương pháp tiếp cận khác được thiết kế để thu hoạch năng lượng từ chuyển động của con người, phương pháp của chúng ta có hai lợi thế cơ bản", Pint nói. Các nguyên liệu này mỏng và đủ nhỏ để được ngâm tẩm vào hàng dệt mà không ảnh hưởng đến cảm quan và cảm nhận của vải và nó có thể trích năng lượng từ các chuyển động chậm hơn 10 Hertz (tức 10 chu kỳ / giây) trong toàn bộ dải tần số thấp, tương ứng với chuyển động của con người ".

Tiến sĩ Nitin Muralidharan và Mengya Li đã cùng nhau hướng dẫn các sinh viên thực hiện và thử nghiệm thiết bị này. "Khi nhìn vào Usain Bolt, bạn thấy người đàn ông nhanh nhất trên trái đất (một VĐV điền kinh). Khi tôi nhìn anh ta, tôi thấy một cái máy làm việc ở 5 Hertz", Muralidharan nói.

Trích xuất năng lượng sử dụng được từ chuyển động tần số thấp như vậy đã chứng tỏ là rất khó khăn. Ví dụ, một số nhóm nghiên cứu đang phát triển các máy thu hoạch năng lượng dựa trên các vật liệu áp điện, làm chuyển đổi cơ học thành điện năng. Tuy nhiên, những vật liệu này thường làm việc tốt nhất với tần số trên 100 Hertz. Điều này có nghĩa là chúng không hoạt động trong một phần nhỏ của bất kỳ hoạt động phổ biến nào của con người để chúng đạt được hiệu suất giới hạn dưới 5-10 phần trăm ngay cả trong những điều kiện tối ưu.

"Máy thu hoạch của chúng tôi được tính toán để vận hành trên 25% hiệu quả trong cấu hình thiết bị lý tưởng, và điều quan trọng nhất là thu hoạch năng lượng thông qua toàn bộ thời gian của những chuyển động chậm của con người như ngồi hay đứng", Pint nói.

Máy thu hoạch năng lượng siêu mỏng của Vanderbilt được dựa trên nghiên cứu của nhóm về các hệ thống pin tiên tiến. Trong vòng 3 năm qua, nhóm nghiên cứu đã khảo sát phản ứng cơ bản của vật liệu pin để uốn và kéo giãn. Họ là những người đầu tiên chứng minh thực nghiệm rằng điện áp hoạt động thay đổi khi vật liệu pin được đặt dưới áp lực. Dưới áp lực, điện áp tăng và dưới nén, nó giảm xuống.

Nhóm đã hợp tác với Greg Walker, phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí, người đã sử dụng các mô hình máy tính để xác nhận những quan sát này đối với các vật liệu pin lithium. Các kết quả của nghiên cứu đã được công bố ngày 27 tháng 6 trên tạp chí ACS  trong bài báo "MechanoChemistry of Lithium Battery Electrodes".

Những quan sát này đã khiến nhóm của Pint tái thiết lại pin với cả điện cực dương và âm cực được làm từ cùng một vật liệu. Mặc dù điều này ngăn cản thiết bị lưu trữ năng lượng, nó vẫn cho phép khai thác triệt để những thay đổi điện áp gây ra bởi uốn và xoắn và do đó tạo ra một lượng đáng kể dòng điện để phản ứng với chuyển động của con người.

Các nghiên cứu ban đầu của phòng thí nghiệm đã được xuất bản vào năm 2016. Họ được tiếp thêm cảm hứng bởi sự đột phá song song của một nhóm tại Viện Công nghệ Massachusetts, người đã sản xuất một thiết bị có kích thước cỡ bao diêm bằng silicon và lithium để thu hoạch năng lượng thông qua hiệu ứng Pint và nhóm của ông Điều tra.

Đáp lại, các nhà nghiên cứu Vanderbilt quyết định sử dụng các nano photpho mỏng: Một vật liệu đã trở thành vật đáng yêu nhất của cộng đồng nghiên cứu vật liệu 2D vì tính chất điện, quang học và điện hóa hấp dẫn của nó.

Bởi vì các khối cơ bản của thiết bị thu này chỉ cỡ khoảng 1/5000 chiều dày của một sợi tóc của con người, các kỹ sư có thể làm cho thiết bị của họ mỏng hoặc dày tùy ý cho các ứng dụng cụ thể. Họ đã phát hiện ra rằng việc uốn các thiết bị thử nghiệm của họ tạo ra 40 microwatts trên mỗi foot vuông và có thể duy trì thế hệ hiện tại trong suốt thời gian di chuyển đầy đủ chậm nhất là 0,01 Hertz, một chu kỳ sau mỗi 100 giây.

Các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng một trong những thách thức mà họ phải đối mặt là điện áp tương đối thấp mà thiết bị của họ sản xuất. Đó là trong phạm vi millivolt. Tuy nhiên, họ đang áp dụng những hiểu biết cơ bản của họ về quá trình gia tăng điện áp. Họ cũng khám phá thiết kế các thành phần điện, như màn hình LCD, hoạt động ở điện áp thấp hơn bình thường.

"Một trong những bình luận viên cho bài báo của chúng tôi đưa ra câu hỏi về sự an toàn", Pint nói. "Đó là một vấn đề, Pin thường bắt lửa khi điện cực dương và âm cực bị tiêu hao. Đúng là nguyên mẫu của chúng tôi sẽ bị cháy nếu bạn đặt nó dưới một cái đèn hàn, nhưng chúng tôi có thể loại bỏ yếu tố này bằng cách sử dụng một điện cực trạng thái rắn. "

Một trong những ứng dụng tương lai của công nghệ này có thể là quần áo điện. Quần áo được ngâm với chất bán dẫn cho phép người mặc thay đổi màu sắc và hoa văn bằng một cú nhấn trên điện thoại thông minh của họ. "Chúng tôi đã đo hiệu suất trong hoạt động chơi bóng chày cho nhu cầu điện năng cho một màn hình LCD công suất nhỏ trung bình khi điều chỉnh hiệu suất đến độ dày và diện tích quần áo chúng tôi mặc." Pint nói.

Pint cũng tin rằng có những ứng dụng tiềm năng cho thiết bị của họ ngoài hệ thống điện. "Khi kết hợp với quần áo, thiết bị của chúng tôi có thể chuyển đổi sự chuyển động của con người thành một tín hiệu điện với độ nhạy cao, có thể cung cấp thông tin lịch sử về các hoạt động của người mặc. Hoặc quần áo theo dõi chuyển động ba chiều có thể được tích hợp với công nghệ ảo hóa"

Nguồn: Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Vanderbilt . Bản gốc được viết bởi David Salisbury

Tài liệu tham khảo :

Nitin Muralidharan, Mengya Li, Rachel E. Carter, Nicholas Galioto, Cary L. Pint. Máy phân tích năng lượng tần số thấp sử dụng  nano Phospho đen 2D . ACS Energy Letters , năm 2017;