基于纳米摩擦发电原理的穿戴式集成微能源器件的关键技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61804023
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0407.微纳机电器件与控制系统
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

One of the key issues of the rapid development of wearable electronics is exploring a reliable and sustainable power source. Based on the combination of electrification effect and electrostatic induction, an emerging ambient energy harvesting technology named triboelectric nanogenerators (TENGs) was developed, which can be employed to efficiently harvest the mechanical energy from our living environment and convert it to be electricity. Due to the flexible, high-output, sustainable and clean properties, TENG is considered as a promising approach to respond the power requirement of wearable electronic devices. However, the intrinsic characterizations of high impedance and high voltage make it very hard to deliver the electric energy to the power storage device, and result in the ultra-low efficiency of power transmission and utilization. This has become a critical limitation of TENGs’ practical applications in the wearable electronics field. Therefore, aiming at the specific domain of wearable applications, this project proposes a TENG-based single-chip-integration wearable directly-usable microenergy source. Three key technologies are proposed, including multi-stage power storage strategy, harvest-storage functional integration and soft-based micro/nano integration fabrication. The connection of flexible small-capacity and large-capacity power storage devices are proposed to realize the new multi-stage power storage strategy, which can significantly enlarge the efficiency of power transmission and storage of TENG. In addition, the functional integration of energy harvesting and power storage between TENG and power storage devices will be carried out to greatly simplify the whole device. Moreover, the soft-material based micro/nano integration fabrication technology will be introduced to manufacture the proposed device to realize the flexibility and miniaturization.
探索稳定可靠、可持续的合适能源供给方案,是目前快速发展的穿戴式电子设备所面临的关键核心问题之一。基于摩擦生电和静电感应原理相结合所实现的纳米摩擦发电机,能够有效地采集人体环境中的各种机械能,并高效地转换为电能,且具有柔性可穿戴、持续高输出、绿色无污染等优异特性,是解决上述难点的有效途径之一。然而,由于纳米摩擦发电机本身固有的高阻抗高电压的特点,其电能存储和利用效率低下,成为了其在面向穿戴式电子设备供能的实用化道路上的强大阻碍。针对穿戴式的特定应用场景,本项目基于多级能量存储、采集存储功能集成和柔性微纳集成加工,提出了一种基于纳米摩擦发电机的单片集成穿戴式柔性直供电微能源器件。“初级小容量+次级大容量”的多级储能机理创新可显著提高电能转移和存储效率,“能量采集+电能存储”的功能器件集成可极大地降低器件复杂度并提高集成度,“柔性微纳集成加工”技术的引入可实现器件微小型化柔性可穿戴的目标。

结项摘要

探索稳定可靠、可持续的合适能源供给方案,是目前快速发展的穿戴式电子设备所面临的关键核心问题之一。基于摩擦生电和静电感应原理相结合所实现的纳米摩擦发电机,能够有效地采集人体环境中的机械能并转化为电能,具有柔性可穿戴、持续高输出、绿色无污染等优异特性,是解决上述难点的有效途径之一。然而由于纳米摩擦发电机本身固有的高阻抗高电压的特点,其电能储存和利用效率低下,成为了其在面向穿戴式电子设备供能的实用化道路上的强大阻碍。为了解决纳米摩擦发电机能量传输与储存的问题,使其与穿戴式的特定应用场景相适应,本项目通过对电源管理电路拓扑结构的优化,实现了四种基于多级能量存储的电能高效传输与储能的方法,使电能转移效率提高了20%至70%。同时,实现了一种具有单向脉冲电能输出特性的对称梳状结构柔性纳米摩擦发电机,并与小容量储能元件结合,得到了“采能+储能”集成一体化器件,极大地降低了器件复杂度并提高集成度。最终,通过引入柔性微纳集成加工技术,结合多级能量存储、采集储存集成技术,制备了2种基于纳米摩擦发电机的单片集成穿戴式柔性直供电微能源器件,能够输出1.8 V、2.5 V、3.3 V、3.6 V,4种穿戴式电子设备的常用电压,为穿戴式电子设备提供了一种可靠、可持续的能源供给方案。

项目成果

期刊论文数量(24)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(11)
Liquid Assembly of Floating Nanomaterial Sheets for Transparent Electronics
用于透明电子产品的浮动纳米材料片的液体组装
  • DOI:
    10.1002/admt.201900398
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Advanced Materials Technologies
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Su Zongming;Yu Henry S. C.;Zhang Xiaosheng;Brugger Juergen;Zhang Haixia
  • 通讯作者:
    Zhang Haixia
Thermal and pH Sensitive Composite Membrane for On‐Demand Drug Delivery by Applying an Alternating Magnetic Field
通过应用交变磁场实现按需药物输送的热和 pH 敏感复合膜
  • DOI:
    10.1002/admi.202000733
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Advanced Materials Interfaces
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Ya Wang;Giovanni Boero;Xiaosheng Zhang;Juergen Brugger
  • 通讯作者:
    Juergen Brugger
Single-Layer Triboelectric Nanogenerators Based on Ion-Doped Natural Nanofibrils
基于离子掺杂天然纳米原纤维的单层摩擦纳米发电机
  • DOI:
    10.1021/acsami.0c11932
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ACS Applied Materials & Interfaces
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Yan-Yuan Ba;Jing-Fu Bao;Hai-Tao Deng;Zhi-Yong Wang;Xiao-Wen Li;Tianxun Gong;Wen Huang;Xiao-Sheng Zhang
  • 通讯作者:
    Xiao-Sheng Zhang
Coexistence of bipolar non-volatile and threshold volatile resistive switching in MoS2 nanosheets treated by soft nitrogen plasma
软氮等离子体处理的 MoS2 纳米片中双极非易失性和阈值易失性电阻开关的共存
  • DOI:
    10.7567/1882-0786/ab548e
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Applied Physics Express
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Ke Yizhen;Zhang Zidong;Guo Junxiong;Mao Linna;Cheng Tiedong;Zhou Haiping;Lin Yuan;Gong Tianxun;Huang Wen;Zhang Xiaosheng
  • 通讯作者:
    Zhang Xiaosheng
Printed silk-fibroin-based triboelectric nanogenerators for multi-functional wearable sensing
用于多功能可穿戴传感的印刷丝素蛋白摩擦纳米发电机
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2019.104123
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Nano Energy
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Wen Dan-Liang;Liu Xin;Deng Hai-Tao;Sun De-Heng;Qian Heng-Yi;Brugger Juergen;Zhang Xiao-Sheng
  • 通讯作者:
    Zhang Xiao-Sheng

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    2012-03-14
  • 期刊:
    Journal of colloid and interface science
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    尼古拉斯·皮特;张晓升;张海霞;朱福运;褚世敢
  • 通讯作者:
    褚世敢

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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