华南理工团队研发天然离子木材发电机，通过“呼吸”空气水分子充电，有望组装成类似特斯拉的电池板

“目前，已有不少投资机构与相关企业关注到我们的新技术。我们有个梦想：将呼吸空气水分子的发电木材，组装成类似特斯拉的电池板或辅助动力。我们还希望实现新能源汽车轻量化和无里程限制，即随时通过空气水分子充电。若能顺利实施则可有效解决动力电池能耗较高、里程限制、以及需要定点电力充电等共性难题。当然，要实现上述目标，我们深知还有很长的路要走，但很明显我们已有了一个很好的起点。”华南理工大学轻工科学与工程学院副研究员刘德桃表示。

近日，该团队经历近 3 年的探索，发展出一种独特的木材腔壁微纳米表面操纵技术，在天然木材结构中构筑了一种特殊的类蜘蛛网状的锂离子输运结构，能够自发高效呼吸空气水分子，在产生的能量输出水平及其稳定性、充放电方面取得了重要进展。

近日，相关论文以《离子木材从环境空气中自发产生有用的湿电能量》（Useful spontaneous hygroelectricity from ambient air by ionic wood）为题发表在 Nano Energy 上[1]。

图 | 相关论文（来源：Nano Energy）

空气水分子（湿气）具有分布极广、易采集等优势且不受任何气候和地理条件的限制，湿气产电作为一种新型绿色可再生能源捕集技术，具有使用简便、灵活且多样化结构尺寸，适合全天候移动自供电小目标的持续能量供给等优点，在自供电电子、医疗保健、安全、信息存储、人工智能和物联网等领域具有巨大的应用潜力。

目前，湿气产电的发展很大程度上受限于产电性能较低（特别是短路电流输出）、稳定性及持久性较差等瓶颈问题，难以在实际气候环境动态变化下持续稳定高效产电，给全天候移动自供电目标的能量稳定持续供给造成了困难，为目标设备的正常运行、使用寿命及适用性等都提出了挑战。

当前迫切需要具有能适应湿度大动态变化下高稳定高效产电功能材料，且能满足低成本、制备简单和可持续低碳发展的要求，应对复杂多变的地球气候环境及无电池系统应用，及应对工业、农业、城市智慧生活的重大应用需求。

值得注意的是，因发电产生温室气体的排放仅占全球总碳排放量27%，说明仅依靠发展可再生能源去实现零碳目标是有很大困难的，因此，需加强对可再生低碳材料及自然界可持续低碳资源的高效综合利用。该课题组从自然界树木、草本植物等自然生长过程中独特的物质运输机制（如水分子、离子等）中获得灵感和启发，认为树木在自然生长过程中会蕴含着许多尚未发掘的巨量能量。

因此，如何理解和运用树木自然生长过程中的物质运输机制，实现自然界广泛存在的巨量可再生能源高效捕集是该团队开展此项工作的初衷。

图 | 天然木材离子发电机原理（来源：刘德桃）

应该来说，该研究通过自然界树木等天然草本植物生长输运机制的深度挖掘，创制一种高效率从自然界最广泛的空气水分子捕集巨量能源的新结构与新方法，使得其稳定高水平输出具有实际应用价值的产电新技术，具有典型的“低碳材料、低碳加工、低碳能源”特征。

图 | 天然离子木材制备及湿气产电优势分析（来源：Nano Energy）

审稿人表示，这是一项具有引领性的、令人无比激动的重要工作，充分利用天然木材生长过程中物质运输机制产生的能源收集的联想，创新了一种奇特的离子输运材料结构，表现出卓越的发电能力和较强的稳定性等诸多优势；能通过呼吸空气水分子实现高水平充放电的出众能力，创制的材料蜘蛛网状离子结构与研究结果令人惊讶，将会对低碳材料、低碳能源及材料制备方法的发展产生引领性的推动作用，同时具有巨大的市场前景。

单个器件大约可产出 700mV 开路电压和 712μA 短路电流

从 2019 年初，该研究就已进入试验探索和理论推演阶段，初始阶段是认识和理解天然树木在自然生长过程中的物质运输机制，探索在天然树木生长过程中是否蕴含着人们还没有发现的巨大能量潜力。他们从天然木材富含多孔性连续贯穿胞腔结构入手，其具有高比表面积、高孔隙率且自身富含亲水性-OH 等官能基团，成本低廉、原材料来源广泛且易加工等优势。

然而，在天然木材缺乏强吸湿性结构情况下，空气水分子与木材固体表面之间的实际互相作用是很微弱的，特别是在木材结构内高效率呼吸或捕集空气水分子，内部产生的离子（如 H+）释放与输运机制几乎可以忽略不计（即使在相对较高湿度情况下），导致目前还没有关于木材在呼吸空气水分子发电方面的实例报道。

图 | 从天然木材到气凝胶木材结构（来源：Nano Energy）

据介绍，该课题组以李杨同学为首的研究人员经过近 1 年的试验探索，力图寻找一种高效促进水分子捕获和离子输运机制的木材纳米结构，历经上成百上千次的失败性试验，仍然没有放弃。

刘德桃说：“他们以实验室为家，放弃了个人大多数的周末和节假日休息；经过多方探讨、推演、试验验证和经验总结，积累其他领域的课外知识，创造性提出对天然木材腔壁表层纤维素进行可控溶解的新方法，从而为在木材腔壁表面构筑有利于水分子呼吸与锂离子高效输运的木材纳米结构提供关键性基础。”

在大家共同努力下，终于获得了令人惊讶的类似蜘蛛网状的离子木材结构及其产电能力：单个器件面积 40 mm×40mm×3.0 mm，具有优异的产电能力，大约可产出 700mV 开路电压和 712μA 短路电流）。其中，由 6 个同等规格（40mm×40mm×3.0mm）木材湿气发电器件，就能持续产生 4.40V 开路电压与 4.16mA 短路电流。该项新技术还具有很强的气候环境适应性和稳定性，在严苛的外界环境中及剧烈的环境因素的波动下电压可以保持相对稳定，在环境湿度大动态变化下（RH= 5-100%）获得较稳定发电的优势。

图 | 天然木材、气凝胶木材及天然离子木材微观结构与发电性能差异性（来源：Nano Energy）

图 | 从天然离子木材发电机湿气产电及充放电性能（来源：Nano Energy）

进而，刘德桃及其课题组还考察了该离子木材发电机是否还具有其他的一些性能，包括电池充放电性能等，进一步发现该离子木材发电机也具有类似于商业电池一样的反复充放电的性能，不同的是充电的原料仅为环境空气中无处不在的水分子，而不是普通充电电池常用的额外电力，这一特性为该新技术的广泛实际应用奠定关键性基础。

图 | 天然离子木材发电机湿气产电机理（来源：Nano Energy）

能有这样的技术，背后是研究团队的不断试错。刘德桃说：“在实验探索初期，对于气凝胶型木材结构的制备，我们一直执拗于传统木材气凝胶的制备方法，即在天然木材脱除木素后再对其进行纤维素的原位溶解再生。但是经过无数次的重复实验后发现其很难进行后期加工，去除木素后的木材气凝胶强度很差，我们有想过添加一些交联剂来增强其强度，同时坚持加工过程中采用低碳、环保的制备理念，为此设计和尝试了一系列大通量的实验方案，但结果都很不理想。”

后来在一次偶然的学术交流和试验探讨中，他们觉得木素的继续保留毫无疑问可以让木材基材无形中拥有一个更好的结构强度。回到实验室后，推翻了之前的全部探索方案，并重新设计了完全不一样的实验思路及方案：即在保留木素的前提下，采用一种对天然木材可控溶解的策略，运用腔壁低温可控溶解的溶剂体系，以达到腔壁表面纤维素溶解并再生致密的纳米纤维素网状结构的目的，成功制备了高强度气凝胶木材。

图 | 课题组部分成员合影（来源：刘德桃）

可用于自供电电子、医疗保健、物联网等

这项新材料技术具有产电效率高且稳定性、持久性好，通过呼吸空气水分子实现高水平充放电过程，具有很多材料难以替代的优势。天然木材作为一种可再生的生物质低碳材料，地球蕴含量极为丰富，通过清洁、低碳、绿色的低温可控溶解与冷冻盐析加工技术，就可以实现基本保持天然木材纹理与形貌的离子木材发电机，原材料质量轻、成本低廉及利用广泛存在的空气水分子，即可实现高水平、高稳定能量输出。

现代工业、农业等发展非常迅猛，人们对一些自供电设备的使用简便性、灵活性且多样化结构尺寸方面提出了越来越高的要求，同时需要适合全天候移动自供电小目标的持续能量供给，这是其他有线电力供应或锂离子电池及其他商业小型电池等能源材料无法提供支持的。自供电电子、医疗保健、物联网均可获得较好的潜在应用前景等提供一个新的技术能力支持。

图 | 刘德桃（来源：刘德桃）

据介绍，刘德桃于 2008 年博士毕业于华南理工大学并留校工作至今，目前在华南理工大学轻工科学与工程学院从事科研与教学工作。该课题组致力于发现和探索自然界树木、草本植物等生长过程中独特的物质运输机制，从中获得灵感和启发，创新运用材料表面微尺度操纵技术，探索对自然界可再生资源（如水分子、二氧化碳等）的高效捕获与转化机制，发展功能木材、纸、膜及其仿生纳米结构的宏量制备科学及工程技术，以探索其在能源、电子与环境等领域的相关应用。目前已在 Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nano Energy 等发表高水平 SCI、EI 等期刊收录论文 63 篇，申请国家发明专利约 50 件和 1 件 PCT （Patent Cooperation Treaty）专利。

图 | 天然离子木材呼吸空气水分子的产电性能水平及稳定性（来源：Nano Energy）

该团队的后续研究充满期待与挑战，刘德桃表示：“我希望能够尽快推进该项新技术达到量产水平，我们课题组的一个鲜明特点就是重视基础研究和工程科学方面的结合，科研工作的理念是基于商业价值、解决实际工程技术开展基础科学问题的理论研究。目前已积累了较扎实的科学项目产业化工作经验和条件基础，相信会很快推进有关材料结构与工艺技术优化与性能提升等工作，实验室到大幅面尺寸电池板组装，特别是进一步提高其结构与产电可靠性、稳定性及电池循环充放电效率等方面进行重点研发，快速推进批量化制备工程技术研发。”

图 | 外界温度及风速的变化对天然离子木材产电的影响（来源：Nano Energy）

其次，他还计划将其应用在室内建筑照明设备供电方面开展研究，目前的离子结构木材不仅保留天然木材的色彩和纹理，具有很好的自然装饰性和环境友好性，可以通过板材拼接的方式组装成类似装修的板材一样，装饰在人居室内建筑的墙壁周围，既起到室内装饰的效果，又能持续给室内照明、家用电器供电，减少家庭用电对外接电源的依赖。

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参考：

1、Li, Y., Cui, J., Shen, H., Liu, C., Wu, P., Qian, Z., ... & Liu, D. (2022). Useful spontaneous hygroelectricity from ambient air by ionic wood. Nano Energy, 96, 107065.