中科院纳米能源所王中林院士团队:具有超高输出稳定性与耐久性的低频摩擦纳米发电机

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微电子技术与物联网的高速发展给人类的生活带来了巨大的变化，大量分布于环境中传感节点的供电问题已成为传感网络向前发展的巨大挑战。因此，收集环境中的清洁能源（海洋能，风能和太阳能等）为传感节点持续有效地提供为实现自驱动传感网络提供了一种可持续而稳定的供电策略。王中林院士于2012年提出的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）可将环境中的机械能有效地转化为电能，其具有重量轻、材料选择丰富、结构灵活、易于制造、成本低等优点。如何设计一种具有超高输出稳定性，耐久性和低频下较高能量转化效率的摩擦纳米发电机仍然是一项挑战。 

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士的指导下，林志明博士、研究生张彬彬（共同一作）等人提出了一种传动机构与转盘式摩擦纳米发电机相结合的发电机，该设计方案为摩擦纳米发电机的耐久性提升提供了有效的途径。同时，基于单摆模式的转盘式摩擦纳米发电机单元可将环境中的低频激励转化为高频的电能输出，提高了能量转化效率。在受到外界激励时（如波浪），传动机构使摩擦层间接触分离，实现接触带电过程。环境中的扰动使转盘式摩擦纳米发电机在没有摩擦阻力的条件下作单摆运动，从而实现低频激励下的高频电输出。该发电机连续工作50万 次后电输出仅衰减1.8%。通过收集波浪能，该发电机可驱动温湿传感器实现环境中的自驱动传感。该成果以题为“Rationally designed rotation triboelectric nanogenerators with much extended lifetime and durability”发表在Nano Energy上。 

图1 摩擦纳米发电机的结构设计

a) 摩擦纳米发电机的水中示意图。b) 摩擦纳米发电机的结构分解图。c) 定子和转子的照片。d) PTFE摩擦层的SEM图像

图2 摩擦纳米发电机的工作原理

a) 摩擦纳米发电机的接触带电过程。b) 摩擦纳米发电机的静电感应实现电输出过程。

图3 摩擦纳米发电机的转移电荷测量

a) 摩擦纳米发电机所受环境激励示意图。b)不同激励次数的转移电荷数量。c) 连续激励转移电荷数量曲线。d) 不同激励间隔时间的转移电荷数量曲线。e) 不同激励作用力的转移电荷数量曲线。e) 不同激励角度的转移电荷数量曲线。

图4 摩擦纳米发电机的输出性能

a) 不同激励加速度的电压和电流输出。b) 单次激励下电输出特性。c) 在各种负载下的峰值电流、电压和峰值功率输出。d) 摩擦层表面电荷数量的变化。e) 摩擦纳米发电机电输出的耐久性测试。

图5 摩擦纳米发电机在水波中的能量收集性能和应用演示

a) 摩擦纳米发电机的整流输出阵列示意图。b) 单一摩擦纳米发电机中嵌入不同数量摩擦层的电输出对比。c) 嵌入不同数量摩擦层的充电测试对比。d) 水波驱动下，摩擦纳米发电机点亮“OCEAN”LED的照片。e) 摩擦纳米发电机驱动温湿传感器的照片。

本文中报道了一种提高摩擦纳米发电机耐久性与低频下高效输出的方法，其通过感受外部激励的传动机构使转盘式摩擦层接触和分离，转盘式摩擦纳米发电机在外部扰动下，可无摩擦阻力作单摆运动实现电能输出。该摩擦纳米发电机大大提高了工作的耐久性和低频下的能量转化效率，可为环境中的传感节点持续供电。作者相信这一方法将有助于摩擦纳米发电机耐久性的进一步研究。 

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104378

来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

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