软设备-可穿戴电子产品、植入物、软机器人、传感器等等技术前景加速了对可变形能源的需求。可变形能源能够将机械能转换为电能的设备可以实现自供电、无绳索和可持续的设备。
来自北卡罗来纳州立大学的学者介绍了一种完全柔软和可伸缩(>400%应变)的能量采集器，该采集器基于可变面积双电层电容器(≈40µF cm−2)。机械地改变EDL面积，从而改变电容，破坏平衡，并产生通过外部电路的电荷运动的驱动力。现有的EDL电容器通过抑制刚性电极之间的水滴来改变接触面积。相反，在这里，收割机由包裹在水凝胶中的液态金属电极组成。用≈25%的应变使器件变形产生功率密度≈0.5 mW m−2。这种非传统的方法很有吸引力，因为：(1)它不需要外部电源来提供电荷；(2)电极本身可以变形；(3)它可以在各种变形模式下工作，例如挤压、拉伸、弯曲和扭曲。这种收集器在水下作业的独特能力显示出在接触汗水、水下传感和蓝色能源采集的可穿戴设备中有很好的应用前景。相关文章以“A Soft Variable-Area Electrical-Double-Layer Energy Harvester”标题发表在Advanced Materials。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202103142
图1.可变面积电容器的比较。在每种情况下，面积的变化都以绿色显示。A)传统的可变面积电容器。滑动电极会改变面积，从而改变电容。这些电容器使用刚性电极(灰色)。B)可变面积双电层电容器(EDLC)。EDLC在水滴(蓝色)和上下刚性电极(灰色)之间的界面形成。振荡顶部电极会改变顶部EDLC的面积，从而产生可变面积的电容器。
图2.完全基于软材料的能量收集器。A)展示其高度变形特性的装置的照片。两个包裹在聚丙烯酰胺水凝胶基质中的液态金属电极产生两个可变面积的EDLC。B)工作机制示意图。拉伸增加了凝胶-金属界面的面积，从而增加了电容，并驱动电荷在电路中运动。将电极释放回其原始区域会使电荷返回到未变形的电极。C)平衡状态下器件的电路表示(无电位梯度)。 
图3.EDLC能量收集器特性。A-D)输出电流作为机械输入的电极面积(A)、电解质浓度(B)、振幅(C)和频率(D)的函数。E)装置的电路模型，其中符号A表示短路电流的测量。F)试验结果与模型结果的比较。模型数据符合线性方程，电流=0.0308×电极面积。G)水下软EDLC能量收集器。
这项工作解决了传统的可变面积静电能量收集器的一些显著缺陷。仍然存在挑战和机遇：(1)随着时间的推移，水凝胶中的水可能会蒸发，这可能会恶化凝胶的机械性能，并改变凝胶的离子导电性。以前对基于凝胶的设备的研究已经通过使用氯化锂盐缓解了这一问题，这种盐显示了在环境条件下将水保留在凝胶中的能力，其相对湿度低至11.3%。离子凝胶也可能有助于解决这一挑战。(2)已知镓可以氧化，从而形成一种薄的钝化氧化物。本文们观察到，经过数千个周期后，其潜力略有下降，但随着时间的延长，可能会有更多显著的问题。原则上，人们可以探索其他材料，如离子液体或电池电解液，以延长操作电位。
来源：材料科学与工程