来源：环球零碳
撰文 | Yinyin
编辑 | Tang
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试想，有这样一种材料，放在轮胎里仅靠行驶就能给车辆充电；埋在高速路或者人行道下面，只要行人路过就能给路灯充电；甚至应用在建筑材料里，依靠摩天大楼的自然震动就能给大楼供电……
这种设想并不是遥不可及。上面几种场景的共同特点，都是将机械能转化成了电能。
这种现象被称为压电效应，即某些材料能够在机械应力作用下，其中产生的电极化强度发生改变的现象，具体表现为整个材料会产生可测量的电势差。
图说：压电效应原理示意
来源：Koratkar et al.
这种现象在很多天然晶体材料（包括石英、酒石酸钾钠甚至人体骨骼）中都可以观察到，而像锆钛酸铅（PZT）这种工程材料则会表现出更明显的压电效应。
不过，目前具有高性能的工程压电材料一般都含有铅，这也限制了这种材料的广泛应用。
而最近发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，来自伦斯勒理工学院（RPI）的研究人员开发出了一种能够在受到压缩或外部震动时产生电能的环保材料，其中利用了一种特殊的硫属钙钛矿化合物。
这种材料与其他压电材料不同的是，其不仅性能高，而且不含铅，这种特性可使其成为汽车、基础设施以及生物医学应用的绝佳选择。
“压电材料可通过机械振动带来无处不在、丰富且可再生的能源的潜力。然而，性能最好的压电材料通常含有致癌物质铅。”该研究的通讯作者，来自机械、航空航天和核工程系的Nikhil Koratkar博士说道。
“铅有毒，在材料和设备应用中正逐步被限制和淘汰。我们的目标是创造一种无铅材料，并且可以使用自然界中常见的元素以低成本制造。”
“我们的研究结果及其支持绿色能源转型的潜力让我们感到兴奋和鼓舞。”
研究人员在论文里报告了硫属化物钙钛矿家族成员BaZrS3中的显著压电效应。
图说：BaZrS 3钙钛矿的合成和表征
来源：Koratkar et al.
硫属化物钙钛矿其实就是具有钙钛矿晶体结构并包含硫属元素的材料。目前，钙钛矿已经在光电领域和太阳能设备中得到广泛探索。
硫属化物钙钛矿之所以引人注目主要有两个原因，一方面它们不含Pb和PbI2等有毒和致癌物质，另外使用硫属元素（例如S或Se）代替卤素离子（如常规钙钛矿），可提高材料的环境稳定性。
压电效应往往发生在缺乏结构对称性的材料中。在压力下，压电材料会变形，导致材料中的正离子和负离子分离。
BaZrS3以及整个硫属化物钙钛矿材料家族中观察到的高压电响应可归因于其晶胞结构。该晶胞由许多原子组成，并且具有大量空隙。硫属化物钙钛矿的这种松散结构允许离子进行扩展位移，从而实现对称性降低 ，并导致位移介导的偶极矩增强。
在研究团队发现的硫属化物钙钛矿材料中，结构对称性在压力下很容易被破坏，从而导致明显的压电响应。
在了解了硫属化物钙钛矿为何表现出压电性之后，研究人员开始着手利用这些材料开发实用的能量收集设备。
研究人员创建了一种柔性复合膜，简单来说，就是将一堆硫化钡锆 (BaZrS3) 颗粒混合并包裹在一种名为聚己内酯 (PCL) 的聚合物中。
图说：硫属化物钙钛矿薄膜电池
来源：Koratkar et al.
这种能量收集薄膜厚度仅为0.3毫米，可以集成到各种各样的设备、机器和结构中。
为了检查它是否真的能产生电流，研究人员进行了一些有趣的实验。
他们通过不同的手部和身体动作对薄膜施加不同大小的应力，并通过将薄膜与整流器连接来测量输出电压。薄膜将应力转换为交流电 (AC)，而整流器则将电流转换为直流电压。
研究人员在研究中指出：“对于常规步行、慢跑和跑步，产生的最大直流电压分别为21.2V、40.4V和72 V，而对于弯曲肘部、拍手和敲击手，产生的最大直流电压分别为5.3V、10.4V和 19.8 V。”
图说：薄膜电池从压力中获得能量
来源：Koratkar et al.
“从本质上讲，对这种材料将施加的压力负荷越大、施加压力的表面积越大，效果就越好，”Koratkar说。
“例如，它可以用在高速公路下面，当汽车经过时，它就能发电。它还可以用作建筑材料，当建筑物振动时，它也能发电。”
此外，研究人员表示，由于这种薄膜，拍手、走路、跳舞、敲击和跑步等身体动作也能产生电流，因此有潜力广泛应用于可穿戴设备。
“测试结果表明这项技术可能很有用，例如，跑步者或骑行者佩戴的设备可以照亮他们的鞋子或头盔，使他们更显眼。不过，这只是一个概念验证，因为我们希望最终看到这种材料大规模应用，真正对能源生产产生影响。”Koratkar说。
这种无毒薄膜有可能减少我们对电池和化石燃料的依赖，使向绿色能源的过渡更加容易。例如，车辆在行驶过程中就能利用轮胎压力或者路面压力充电，交通灯从路上行走的人那里获得电力。
未来，Koratkar的实验室将探索整个硫属钙钛矿化合物家族，寻找那些表现出更强压电效应的化合物。Koratkar表示，人工智能和机器学习可以证明是这一探索中的有用工具。
“可持续能源生产对我们的未来至关重要，” 伦斯勒工程学院院长Shekhar Garde博士说道。“Koratkar教授的工作很好地证明了创新材料如何帮助解决全球问题。”
首图来源：RPI
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参考资料：
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-024-50130-5
[2]https://news.rpi.edu/2024/10/15/harnessing-vibrations-rpi-engineered-material-generates-electricity-unexpected-source
[3]https://interestingengineering.com/energy/film-produce-electricity-from-anything-that-moves
[4]https://www.x-mol.com/paper/1731185268381995008/t?adv
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