便攜式電子產(chǎn)品功能日新月異，發(fā)展速度遠遠超出了其電池續(xù)航能力的提升。為了滿足下一代便攜式電子產(chǎn)品進一步智能化、集成化、可持續(xù)化的發(fā)展需求，迫切需要開發(fā)可長時間持續(xù)穩(wěn)定工作的電源系統(tǒng)以彌補電池容量的不足。如果能將人類日常肢體運動產(chǎn)生的機械能收集起來并為電池充電，則可為便攜式電子產(chǎn)品提供源源不斷的電能。實現(xiàn)這一概念的關(guān)鍵在于如何在便攜式電子產(chǎn)品中完成“從機械能到電能的高效轉(zhuǎn)換”。目前這類轉(zhuǎn)換主要依賴壓電效應(yīng)。然而，壓電效應(yīng)適用于收集高頻率機械振動（大于10赫茲）產(chǎn)生的能量，但人類日常肢體運動往往在更低的頻率范圍內(nèi)（小于1赫茲）。頻率不匹配使得能量收集大打折扣，無法滿足應(yīng)用需求。

近日，美國賓州州立大學研究團隊公布了他們?nèi)碌摹皺C械能－電能轉(zhuǎn)化”概念和器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對低頻率機械振動能量的高效收集。這種器件基于柔性輕質(zhì)的有機離子二極管，它在人類日常肢體運動頻率范圍內(nèi)的“機械能－電能轉(zhuǎn)化”功率密度比傳統(tǒng)壓電器件高出幾個數(shù)量級，可滿足下一代便攜式電子產(chǎn)品的需求。

▲機械能－電能轉(zhuǎn)化機理

賓州州立大學材料科學與工程系QingWang教授介紹說：“這項設(shè)計專門針對如何將這些普遍存在而又未被利用的的低頻機械能轉(zhuǎn)換為電能。正因為如此，我們想到了有機離子p－n節(jié)這類器件”。

這類有機離子p－n節(jié)的兩個電極分別由帶有相反電荷的聚電解質(zhì)納米復合材料構(gòu)成，中間通過聚碳酸酯薄膜隔開。當向p－n節(jié)上施加機械應(yīng)力時，內(nèi)部載流子（可移動離子）的平衡被打破，p－n節(jié)的固有機制驅(qū)使載流子開始持續(xù)擴散，直至新的平衡重新建立。這一過程完成了機械能到電能的轉(zhuǎn)換。由于離子運動的特點，整個過程恰好匹配人類日常肢體運動的頻率。

▲離子二極管裝置的示意圖

QingWang教授還提到：“因為這種器件主要由柔性輕質(zhì)的聚合物材料構(gòu)成，我們希望能將它們放置到下一代智能手機等便攜式產(chǎn)品當中，用來提供電池所需的部分能量從而大大降低電池的充電需求及其安全隱患?！?/p>

這一成果已于日前在《先進能源材料》雜志上發(fā)表（Adv．Energy Mater． 2016， 1601983）。這項工作由賓州州立大學材料科學與工程系Qing Wang教授、MichaelHickner副教授以及電氣工程系QimingZhang教授團隊共同完成。QingWang教授和李琦博士（現(xiàn)工作單位為清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系）為論文的共同通訊作者。