近日，六合彩下期预测 金属基复合材料全国重点实验室郭益平教授课题组在柔性能量收集器件领域再获重要突破。其最新研究成果以 “Rapid Fabrication of Antifreezing Piezoionic Hydrogels for Fast Charging and Enhanced Energy Harvesting Frequency via Ion-Regulating Nanoparticles” 为题，正式发表于国际著名材料期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: //doi.org/10.1002/adfm.202515804）。
该研究工作提出基于 “离子调控纳米颗粒” 的抗冻压电离子水凝胶发电机制备新策略，成功解决传统压电离子器件工作频率低、低温易失效、制备方法复杂的问题，为可穿戴电子、物联网传感器的自供电系统提供新路径。
随着可穿戴电子设备与物联网传感器技术的飞速发展，柔性能量收集器在便携式自供电系统中的作用愈发关键。传统化学电池存在循环寿命有限、废弃后污染环境等问题，开发可持续的自供电技术、寻找替代能源已成为降低传统电池依赖的核心方向。在众多新型能量转换器件中，基于离子传导机制的压电离子水凝胶发电机因结构简单、机械柔性好、可自供电等优势，被广泛认为是采集环境机械能的理想选择。
图1. 水凝胶发电性能与离子压电机制研究。a) 离子压电水凝胶最大短路电流、最大开路电压和外加压力变化曲线。b) 不同外加压力下水凝胶的电压和电流输出特性。c) 离子压电水凝胶中静电电位和离子传输示意图。d) PAC修饰SP水凝胶与未修饰SP水凝胶的分子动力学MD模拟模型。e) Li⁺和Cl⁻的模拟离子扩散系数。f) PAC修饰SP与未修饰SP水凝胶的实际电压和电流输出对比。g) Li⁺、Cl⁻与水凝胶基质之间的模拟基质相互作用能。h) 水凝胶在1–10 Hz频率范围内的电压输出。i) PAC修饰SP水凝胶与其他已报道压离子水凝胶的频率响应对比。 j) 在120 kPa载荷和10 Hz频率下经过10,000次压缩循环的电压输出稳定性。
该项研究以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）修饰的 Super P 炭黑纳米颗粒为核心，实现了多方面重要突破：一方面，利用该纳米颗粒增强静电作用和增多活性位点，使水凝胶凝胶化时间缩短至几十秒且无需外部能量，为实现水凝胶的大规模生产提供了可能；另一方面，构建 “纳米颗粒 - 锂盐” 抗冻体系，通过抑制冰晶形成，让水凝胶在 - 90℃仍保持柔性，避免了传统抗冻剂导致的性能损耗；同时，提出 “离子调控开关” 机制，借助带正电的纳米颗粒选择性吸附阴离子、放大离子迁移差异，不仅使器件输出性能较传统提升两个数量级，还实现 0.1-10 Hz 宽频响应，可覆盖人体运动和设备振动场景。在实际测试中，该水凝胶发电机器件表现优异，对 1 mF 电容器的充电速率高达 146 mV s-1，仅需 30 秒就能将 500 μF 电容器充电至 1000 mV，且可直接为小型电子设备供电，为 “无电池” 便携设备的研发提供了可能。这项工作不仅给出了高性能水凝胶的快速制备方法，还进一步深化了压电离子传输机制，为开发适配多场景、耐极端环境、易量产的下一代能量收集器提供了思路，将进一步推动柔性能量收集技术在可穿戴电子等领域的应用。
图4. 离子压电水凝胶发电机的能量收集性能。a–c) 输出电压、电流和功率密度随外部负载电阻的变化关系。d) 两个水凝胶发电机串联为四个小型红色LED供电的照片。e) 两个串联水凝胶发电机的电压输出曲线。f) 水凝胶发电机从人体步行和跑步中收集机械能快速充电1 mF电容器的电压曲线。g) 由串联水凝胶发电机供电的500 μF、1和10 mF电容器的充电曲线。h) 水凝胶发电机充电1 F电容器以驱动帕尔贴制冷的系统数码照片。i) 离子压电水凝胶发电机与其他先进机械能量收集器（如PENG、TENG、和SDC-TENG）在内阻、电流密度和功率密度方面的对比。
本项研究由六合彩下期预测 郭益平教授指导，2024 级博士生李彦亭为本文第一作者。该项研究得到了国家重点研发计划项目（No. 2022YFA1205300、2022YFA1205304）以及上海市 “科技创新行动计划” 实验动物研究项目（No. 22140902000）的资助。
供稿：郭益平课题组