有机离子二极管可满足下一代产品电能需求

携式电子产品功能日新月异，发展速度远远超出了其电池续航能力的提升。为了满足下一代便携式电子产品进一步智能化、集成化、可持续化的发展需求，迫切需要开发可长时间持续稳定工作的电源系统以弥补电池容量的不足。如果能将人类日常肢体运动产生的机械能收集起来并为电池充电，则可为便携式电子产品提供源源不断的电能。实现这一概念的关键在于如何在便携式电子产品中完成“从机械能到电能的高效转换”。目前这类转换主要依赖压电效应。然而，压电效应适用于收集高频率机械振动（大于10赫兹）产生的能量，但人类日常肢体运动往往在更低的频率范围内（小于1赫兹）。频率不匹配使得能量收集大打折扣，无法满足应用需求。

近日，美国宾州州立大学研究团队公布了他们全新的“机械能－电能转化”概念和器件，能够实现对低频率机械振动能量的高效收集。这种器件基于柔性轻质的有机离子二极管，它在人类日常肢体运动频率范围内的“机械能－电能转化”功率密度比传统压电器件高出几个数量级，可满足下一代便携式电子产品的需求。

▲机械能－电能转化机理

宾州州立大学材料科学与工程系QingWang教授介绍说：“这项设计专门针对如何将这些普遍存在而又未被利用的的低频机械能转换为电能。正因为如此，我们想到了有机离子p－n节这类器件”。

这类有机离子p－n节的两个电极分别由带有相反电荷的聚电解质纳米复合材料构成，中间通过聚碳酸酯薄膜隔开。当向p－n节上施加机械应力时，内部载流子（可移动离子）的平衡被打破，p－n节的固有机制驱使载流子开始持续扩散，直至新的平衡重新建立。这一过程完成了机械能到电能的转换。由于离子运动的特点，整个过程恰好匹配人类日常肢体运动的频率。

▲离子二极管装置的示意图

QingWang教授还提到：“因为这种器件主要由柔性轻质的聚合物材料构成，我们希望能将它们放置到下一代智能手机等便携式产品当中，用来提供电池所需的部分能量从而大大降低电池的充电需求及其安全隐患。”

这一成果已于日前在《先进能源材料》杂志上发表（Adv．Energy Mater． 2016， 1601983）。这项工作由宾州州立大学材料科学与工程系Qing Wang教授、MichaelHickner副教授以及电气工程系QimingZhang教授团队共同完成。QingWang教授和李琦博士（现工作单位为清华大学电机工程与应用电子技术系）为论文的共同通讯作者。