NIMS等開發出發電凝膠材料

 

刊登日期:2024/5/21
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日本物質材料研究機構(NIMS)與北海道大學、明治藥科大學共同開發了一項可以在內部穩定保留大量靜電荷之凝膠材料(凝膠駐極體)。結合了新凝膠的可自由變形電極具有感測器機能,可將人體運動產生的低頻振動做為電壓訊號輸出。

近年來,適用於軟性電子產品之柔軟、輕量且可自行發電的材料日漸受矚目。此外,無須使用外部電源即可持續保持靜電荷駐存的駐極體材料可應用於振動發電元件。而NIMS積極推動可做為液態駐極體,且由穩定靜電荷的π共軛色素部位與柔軟的支鏈烴(烷基)鏈組成之低揮發性常溫液體(烷基-π液體)的開發。

除了表現出優異的帶電特性之外,此烷基-π液體亦具有優異的成型加工性,並且可以透過塗佈、浸透等方法進行應用,但由於是流體,在電極製造過程中尚有洩漏、滲出等固定化或密封的問題。此外,為了提高發電機能,仍須進一步增加帶電量。

有鑑於此,研究團隊在烷基-π液體中添加了微量的低分子膠凝劑,俾使儲存模數提高了4,000萬倍,進而開發出一項易於固定化或密封的凝膠(烷基-π凝膠)。此項研究從解決烷基-π液體的固定化、密封等問題的角度出發,提出了以低分子膠凝劑將烷基-π液體凝膠化以控制儲存模數的概念。

為了解明前所未有之烷基-π凝膠的基本物理性質,研究團隊對於π共軛色素(萘分子)中導入支鏈烷基鏈的液體分子進行了研究,將微量的低分子膠凝劑加入烷基-萘液體中並加熱至130℃使其溶解,然後冷卻至室溫,進而取得了失去流動性的凝膠。

相較於做為母材的液體,凝膠的儲存模數增加了4,000萬倍。凝膠中形成了奈米級的微纖維結構,而此網格狀纖維結構的形成則是儲存模數大幅增加的原因。

除了簡單之外,此方法可說是一項高度泛用性的彈性模數控制技術,能將最高可達17 Pa·s之各種黏度變化的烷基-π液體予以凝膠化,且還含有低揮發性與超高濃度的機能性色素部位。

此外,烷基-π液體在常壓下、195℃以上不會揮發,以液體形式穩定存在,烷基-π凝膠則可在大氣中以凝膠狀態保存10個月以上。再者,即使在凝膠化後也不會失去柔軟度,並含有超高濃度(最大達59重量%)的機能性色素部位。

將π共軛色素之一的芘透過支鏈烷基鏈液體化的分子(烷基-芘液體)是一項穩定儲存靜電荷的有利液體,研究團隊將烷基-芘液體予以凝膠化,並透過電暈充電處理形成凝膠駐極體,透過以柔性電極夾住並密封,製作出振動感測器元件。

在此振動感測器中,駐極體保持的電荷量越大,產生的輸出電壓就越大。除了凝膠化促使電極元件製作時更容易密封或固定化之外,帶電量亦較液體增加了24%。此外,採用凝膠駐極體的柔性電極元件對於17 Hz的振動,表現出輸出為600 mV(比液體元件提高83%)的振動感測機能。

另一方面,研究團隊已確認利用做為駐極體的烷基-π凝膠在使用後可以回收並重新利用於振動感測器元件,將可望成為有助於循環經濟發展的材料。今後研究團隊將進一步增強帶電量、充電壽命等帶電特性與凝膠強度,提高元件性能,期達到可追蹤微小振動或各種變形之穿戴式感測器的實用化。


資料來源: https://www.nims.go.jp/news/press/2024/04/202404180.html
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