受原电池启发的高输出性能和超持久直流摩擦纳米发电机

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随着新时代物联网(IoT)和大数据(BD)的快速发展，数以亿计的分布式传感器网络被开发出来，并用于收集和转换周围环境的信息。这些传感器驱动了人们对分布式能源的迫切需求。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的能量转换装置，为收集环境机械能(如振动能、风能、水流能等)并转化为电能提供了一种很有效技术。各种TENG根据其工作机理和输出信号类型大致可分为两类：(1)基于摩擦起电和静电感应的耦合产生交流电(AC-TENG)；(2)基于摩擦起电和空气击穿的耦合产生直流电(DC-TENG)。其中，DC-TENG无需整流电路和储能单元，可直接向电子器件供电。目前，基于空气击穿的DC-TENG通过集成DC-TENG单元已达到较高电荷密度输出。然而，DC-TENG在运行过程中由于缺乏电荷积累过程，其有效电荷密度在很大程度上取决于表面接触力。高的表面接触力，会产生强烈的机械磨损，这是TENG应用于商业中所遇到的瓶颈问题。有趣的是，基于摩擦起电和静电感应的AC-TENG可以不断积累摩擦电荷，即使在较低的表面接触力下，AC-TENG也能产生理想的有效电荷密度。但是由于大多数电子器件都需要直流电源，所以AC-TENG在没有整流电路的情况下无法直接驱动电子器件。值得注意的是，原电池的显著特点是恒定直流输出，其基本工作原理是电解液中两个金属电极之间的金属活性差异，而摩擦起电的基本原理同样是基于不同材料之间的电子亲和力的差异。因此，受原电池工作原理及其直流输出特性的启发，探索一种新型的，实现高耐久性和高输出性能的DC-TENG具有十分重要的意义。

High Output Performance and Ultra-durable DC Output for Triboelectric Nanogenerator Inspired by Primary Cell

Shaoke Fu, Wencong He, Huiyuan Wu, Chuncai Shan, Yan Du, Gui Li, Ping Wang, Hengyu Guo, Jie Chen*, Chenguo Hu*

Nano-Micro Letters (2022)14: 155

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00898-2

本文亮点

1. 本文设计了一种基于摩擦起电和静电感应的新型PC-TENG结构。PC-TENG产生理想的直流输出，直接驱动小型电子设备，即使是在较低的表面接触力下。

2. 通过新颖的结构设计，PC-TENG在低的表面接触力下实现了小的材料磨损，使其具有高耐久性和高输出性能。

3.旋转结构的设计有助于R-PC-TENG实现高效率的环境机械能收集，如水能、风能。

内容简介

为了实现高耐久性和高输出性能的DC-TENG，近日，重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队和重庆师范大学物理与电子工程学院陈杰讲师受原电池工作原理及其直流输出特性的启发，设计了一种基于接触起电和静电感应的新型原电池结构TENG(PC-TENG)，该结构可以像AC-TENG一样连续积累摩擦电荷。在12 N的低表面接触力下，可以产生理想的直流输出，直接驱动小型电子器件。本文制备了一种垂直-接触分离式CS-PC-TENG和独立层式FS-PC-TENG，并系统地分析了各工作周期内电荷转移的理论机理和影响因素。同时本文设计了直径为180 mm的旋转式R-PC-TENG，其最大有效电荷密度达到1.02 mC m⁻²。PC-TENG具有卓越的耐久性，在10万次工作循环后仍然可以保持99%的初始输出。此外，PC-TENG被用于为各种商用电容器快速充电，并驱动944个串联的绿色发光二极管(LED)达到高亮度。同时，R-PC-TENG还被用于通过收集风能为一个商业红外发射器模块和四个并联的温-湿度计供电。这项工作为在较低的表面接触力下提高DC-TENG的电力输出性能提供了一种简单而理想的方案，并展现了为物联网收集环境能量的巨大潜力。

图文导读

I CS-PC-TENG的结构设计和工作机理

图1a显示了锌/铜原电池的基本结构。由于金属活性的差异，锌电极(负极)失去电子并在电解液中形成锌离子，然后氢离子在铜电极(正极)上获得电子以形成氢气。在此过程中，氢离子在内部电解液中直接从阳极流向阴极，电子沿着外部电路直接从负极流向正极，形成直流输出信号。为了模拟原电池的金属活性差异，本工作通过构建三种不同电负性的摩擦材料制备了PC-TENG。下面详细介绍PC-TENG的结构和工作原理。图1b展示了CS-PC-TENG的基本结构，其具有与原电池类似的结构。尼龙(PA)膜背面的左电极用作正极(PC中的铜电极)，FEP膜背面的右电极用作负极(PC中的锌电极)。碳凝胶在原电池中充当电解液的作用，在碳凝胶分别形成正电荷(氢离子)和负电荷(硫酸根离子)的定向运动。直流输出的详细工作原理如图1c所示，其中材料的电子亲和力在摩擦电序列中为FEP>碳凝胶>PA。因此，在第i阶段，PA与碳凝胶接触时带正电荷，而碳凝胶带负电荷。在第ii阶段，带负电荷的碳凝胶从左向右移动，并与FEP接触，并在介电材料之间产生强大的电位差。在此过程中，由于静电感应，电荷沿着外部电路从右电极(FEP的背面)转移到左电极(PA的背面)。在第iii阶段中，碳凝胶由于其软变形(在顶部)而进一步向右移动并与右电极接触。因此，部分电荷被中和，碳凝胶具有正电荷。在第iv阶段，碳凝胶开始向相反方向移动，并与右侧电极分离。在第v阶段，带正电荷的碳凝胶从右向左移动，并与PA接触。在此过程中，电介质材料之间产生强大的电位差，电荷再次通过外部电路从右电极转移到左电极。在第vi阶段，碳凝胶持续向左移动并与左电极接触。此时，部分电荷被中和，碳凝胶带有负电荷，因为碳凝胶与PA紧密接触。最后，碳凝胶开始向相反方向移动，并与左侧电极分离，从而完成一个循环。当碳凝胶周期性地左右移动时，电子从右电极流向左电极。此外，碳凝胶从右向左移动时带正电荷，这与原电池中的氢离子类似。然后，碳凝胶从左向右移动时带负电，这与原电池中的硫酸根离子类似。CS-PC-TENG的结构与原电池相似，并且具有与原电池相同的直流输出特性。如图1d、e所示，转移电荷和短路电流均显示直流输出特征。

图1. 原电池与CS-PC-TENG的结构对比，以及CS-PC-TENG的工作机理。(a)Zn/Cu电解槽的基本结构；(b)CS-PC-TENG的基本结构；(c)CS-PC-TENG的工作原理示意图；(d-e)CS-PC-TENG的基本输出电荷和电流。

II FS-PC-TENG的输出性能研究
通常，TENG可以根据不同的应用场景合理设计四种不同的工作模式——接触-分离模式(CS)、单电极模式、平面滑动模式和独立层模式(FS)，其中FS-TENG可以有效地转换机械能，它是通过气、液流体驱动力实现旋转运动的最佳方式。因此，PC-TENG设计为FS模式，表示为FS-PC-TENG，其定子和滑块的三3D结构示意图和俯视照片如图2a，b所示。FS-PC-TENG的详细工作原理如图2c所示，与CS-PC-TENG的工作原理相同。摩擦电系中材料的电子亲和力为FEP>铜>PA，PA和铜箔之间的摩擦过程中失去电子，铜箔获得电子，而铜箔在铜箔和FEP之间的摩擦期间失去电子，FEP获得电子。由于静电感应和间隙距离有很强的关系，本工作测量了不同间隙距离下FS-PC-TENG的短路电流(Isc)和转移电荷(Qsc)，如图2d所示。随着间隙距离从100 μm增加到250 μm，Qsc分别从1.03 μC减少到0.44 μC，Isc分别从2.5 μA减少到0.8 μA。图2e，f显示了FS-PC-TENG在不同压力下的Isc和Qsc。随着压力从6 N增加到36 N，Isc从1.75 μA增加到3.85 μA，Qsc从1.03 μC增加到1.3 μC。当压力大于24 N时，Isc和Qsc迅速增加，然后趋于稳定，这是由于垫片的支撑作用，使接触力随着压力的进一步增加而保持恒定。为了证明在自然环境中的良好应用，测量了湿度对FS-PC-TENG的影响，如图2g所示。Qsc和Isc随相对湿度的增加而线性下降。此外，测量了FS-PCTENG器件在大气相对湿度下的稳定性。如图2h所示，经过100，000次循环后，FS-PC-TENG装置由于低表面接触力和泡棉的软接触效应而显示出出色的稳定性和耐久性(保持初始输出的99%)。
图2. FS-PC-TENG的结构、工作机理和影响输出性能的因素。(a，b)FS-PC-TENG的3D结构示意图和照片；(c)FS-PC-TENG的工作原理示意图；在(d)不同气隙、(e，f)不同接触力、(g)不同湿度下，FS-PC-TENG的基本短路电流和电荷输出；(h)FS-PCTENG的稳定性和耐久性。
III R-PC-TENG的输出性能研究
为了在野外/室外环境中有效地收集风和水流的能量，基于所提出的机制和参数优化，本工作将并行FS-PC-TENG转换为径向阵列旋转模式R-PC-TENG。R-PC-TENG的3D结构示意图和俯视照片如图3a所示，其分别包括定子和转子。定子和转子都由几个扇区组成，每个扇区单元与滑模并联FS-PC-TENG的扇区单元相似。图2b显示了定子局部结构的放大图，可以清楚地看到径向排列的电极具有阶梯结构。阶梯结构的高度和表面接触力的大小与FS-PC-TENG的参数相同。为了进一步优化R-PC-TENG的直流输出性能，本工作研究了R-PC-TENG的电极数，如图3c，d所示。R-PC-TENG在1.5 s内的Qsc和Isc随电极对的增加而增加，根据12对电极上滑块的面积计算，R-PC-TENG的输出电荷密度达到1.02 mC m⁻²。通过精密加工提高电极对的集成度可以获得更高的输出性能。此外，为了揭示R-PC-TENG的转速和输出性能之间的关系，其转移电荷、短路电流和开路电压显示在图3e-g中。在转速上升到60 rpm时，R-PC-TENG的转移电荷在1.5秒内达到14 µC。此外，在60 rpm时，短路电流和开路电压分别约为56 µA和2.8 kV。图3h显示了R-PC-TENG在0.5 MΩ至400 MΩ的不同电阻下的短路电流、开路电压和峰值功率，在60 rpm时，最大峰值功率达到28 mW，电阻为20 MΩ。综上所述，本研究通过摩擦起电和静电感应的耦合，为R-PCTENG实现了理想的直流输出性能。

图3. R-PC-TENG的结构和性能。(a)R-PC-TENG的3D结构示意图，以及转子和定子的实物照片；(b)定子局部放大详图；(c-d)R-PC-TENG在不同电极对上的转移电荷(Qsc)和短路电流(Isc)；(e-g)R-PC-TENG在不同转速下的转移电荷(Qsc)、短路电流(Isc)和开路电压；(h)评估R-PC-TENG在60 rpm转速下的匹配阻抗和输出功率。

IV R-PC-TENG的输出性能和应用演示

为了可视化R-PC-TENG在自然环境中的实际应用，图4a展示了R-PC-TENG在风力和水流能量收集方面的前景。R-PC-TENG可以安装在山区和城市中，收集风力和水流能量，为灯具或某些传感器供电，实现自供电环境监测和无线远程报警。在没有整流电路的情况下，R-PC-TENG以60 rpm的转速有效地照亮了944个直径为5 mm的串联绿色LED(图4b)。如图4c所示，R-PC-TENG作为电源，通过电源管理电路(PMC)驱动了电子设备。R-PC-TENG可以通过电源管理电路(图4d)快速充电各种商用电容器，例如470 μF电容器在5秒内充电到4 V。在图4e-g中，R-PC-TENG用于为四个并联的商用温湿度计供电，运行期间电压-时间曲线的波动表明其工作稳定。实践证明，R-PC-TENG在实际应用中可以长期连续供电。最后，商用无线传输模块由R-PC-TENG和2000 μF电容器供电，按下无线传输模块时可以实现无线远程报警(图4f)。上述应用有力地展示了R-PC-TENG装置在风和水流能量收集方面的高输出性能，以及自供电系统在智能环境监测和无线远程报警领域的应用。

图4. R-PC-TENG为不同电子设备供电的应用。(a)提出了R-PC-TENG的应用场景；(b)演示以60 rpm的转速直接为944个LED供电；(c)用电源管理为电子设备供电的自供电系统的系统图和电路图；(d)使用R-PC-TENG装置在60 rpm转速下对470 μF、1000 μF和2200 μF电容器充电的电压曲线；(f)在风力驱动下为2.2 mF电容器充电，同时给红外发射模块供电；(g)为470 μF电容器充电，同时利用风能为四个水力温度计供电。

作者简介

付绍珂本文第一作者重庆大学 博士研究生
▍主要研究领域
摩擦纳米发电机。

▍主要研究成果

以第一/共同第一作者在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano-Micro Letters, Nano Energy发表论文4篇，获授权发明专利1项。
陈杰

本文通讯作者

重庆师范大学 讲师
▍主要研究领域
摩擦纳米发电机，自驱动传感系统。

▍主要研究成果

重庆师范大学讲师，硕士生导师，本硕博毕业于重庆大学。近六年在Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS Nano等知名期刊上发表相关论文36篇，其中以排名第一作者/通讯作者发表论文11篇，总被引三千余次，h因子31。主持省部级基金3项。

▍Email：[e-mail]

胡陈果

本文通讯作者

重庆大学 教授
▍主要研究领域
摩擦纳米发电机，自驱动传感系统。

▍主要研究成果

重庆大学博士生导师，国务院特殊津贴专家, Nano Energy 和Research副主编，Nano-Micro Letters 和Nano Materials Science编委。博士毕业于重庆大学，曾在美国佐治亚理工学院访学1年。主要从事表面界面物理及相关功能器件设计和应用等方面的研究，特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新的工作。共发表SCI 论文300 多篇，被引用16000 多次 (Web of Science)，其中，Science Advances (2), Science Robotics (1), Nature Communication (5), Nature Sustainability (1), Joule (1), h-index 65。主持国家自然科学基金6项，省部级基金4项，主研科技部项目1项，863子课题1项。申请发明专利36项，获授权27 项，获得省部级自然科学一等奖1项和二等奖2项，获得中国产学研合作创新成果优秀奖1项。

▍Email：[e-mail]

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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