北航新闻网9月15日电（通讯员 刘雁韦）轻质、柔性且转换效率高的能量转换系统，对于满足日益增长的分布式供电需求、实现高效传感等具有重要的应用价值。离子输运是工业与生命系统中实现高效能量转换的关键过程，其通常需由外电场或离子浓度梯度来驱动，如能利用力学激励驱动离子输运，将环境中广泛存在的机械能转化为电能，将是一种适用性强的能量俘获方式。另一方面，挠曲电效应是电极化强度与应变梯度之间的耦合效应，是一种将机械能转换为电能的普适性物理机制；然而，宏观固体材料可产生的应变梯度有限，提高挠曲电输出是一个需要攻克的重要问题。利用挠曲电效应和离子输运的协同作用实现机械能和电能之间的转换，是一种新型的、适用性强的力-电能量转换方式，有助于突破现有能量转换效率的瓶颈。
近日，北京航空航天大学邵丽华教授团队与中国科学院院士、南京航空航天大学郭万林教授合作在多孔材料/电解质溶液复合系统中实现了挠曲电驱动的离子输运和高效的机械能-电能转换，净能量转换效率达28.81%，1.02g的多孔材料在电解质溶液中被单次压缩产生的电能即可点亮800个LED灯，系统在长达1000万次循环载荷作用下，电流输出峰值保持稳定，展现了该类系统在能源俘获与高性能传感等领域的应用潜力。该成果以“Flexoelectricity and Ion Transport Synergy for High Efficient Energy Conversion”为题，发表于Science Advances期刊上（Sci. Adv., 2026,12(37):eaec6370）。
图1 多孔PDMS/CNT复合材料的微观结构及其与电解质溶液系统的力-电转换机制。
研究团队设计了具有挠曲电效应的多孔聚二甲基硅氧烷/碳纳米管（PDMS/CNT）复合材料及电解质溶液复合系统，对该多孔复合材料进行加载产生挠曲电场来驱动电解质溶液中的离子输运，从而实现机械能和电能的转换。在理论方面，团队通过挠曲电效应物理方程和Debye-Falkenhagen方程，建立了挠曲电驱动离子输运的理论模型，揭示了净输出电流产生的微观机制。理论分析表明，多孔材料在循环外载作用下，内部韧带发生非均匀变形，产生时变挠曲电场；该电场驱动电解质溶液中的离子向CNT电极表面定向迁移，形成了迁移电流；离子沿电场方向持续迁移，形成了离子浓度梯度，该梯度驱动离子从高浓度区域向低浓度区域扩散，导致与迁移电流方向相反、相位滞后的扩散电流，因而复合系统产生净输出电流。
图2 时变挠曲电场调控下，离子电流密度、净电荷密度的响应规律。
基于该物理机制，研究团队结合量纲分析与电学分析，发现了系统电输出与材料、结构及载荷参数之间的标度关系：系统的输出电流与宏观峰值载荷成正比，而与加载频率无关（1-5 Hz）；同时，输出电流随韧带厚度和工作电极体积分数的增加而增大，而比密度输出电流则与韧带厚度成反比。基于该标度关系，研究团队提出了优化系统电输出的跨尺度设计准则，并通过实验表征验证了准确性。
图3 决定系统电输出的关键参数影响规律。
基于上述理论指导，研究团队通过在宏观尺度设计压/扭耦合构型、介观尺度优化多孔材料韧带长细比，以及微观尺度调控工作电极CNT的体积分数与电解质离子浓度，最终设计了具有超高电能密度的多孔PDMS/CNT/NaCl系统，相比于实体PDMS楔形体在压缩载荷作用下的比质量挠曲电输出，置于电解质溶液中的多孔PDMS/CNT的比质量输出电流提升了100万倍。该系统的净能量转换效率（一个加载循环中输出的电能与耗散的机械能之比）高达28.81%，总能量转换效率（一个加载循环中输出的电能与输入的总机械能之比）为6.54%，在长达1000万次循环载荷作用下，电流输出峰值保持稳定，比应力电能密度比文献中报道的其他类型的力-电转换装置高1-2个数量级。1.02g的多孔材料在电解质溶液中经单次按压产生的电能即可点亮800个LED，展现了该类系统在能源俘获与高性能传感等领域的应用潜力。
图4 系统的电输出性能。
该工作得到审稿人的高度评价：“新颖而引人注目的方法（novel and compelling approach）”、“令人印象深刻的器件级演示（impressive device-level demonstration）”、“能量转换效率令人印象深刻（impressive）”、“在传感、蓝色能源俘获等领域极具前景（highly promising）”。
论文的第一作者为北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学研究所博士生闫东泽，合作者包括中国科学院院士、北京大学段慧玲教授，邵丽华教授和郭万林院士为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec6370
（审核：董雷霆）
编辑：贾爱平
