纳米能源所王中林、吴治峄与海洋所王鹏《Adv. Energy Mater.》: 成功构建一种具有较优输出性能的特制FR-TENG

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摩擦纳米发电机（TENG）是一种具有巨大潜在应用价值的新型能源收集装置，自2012年被发现以来，无论是在理论研究、结构创新还是应用开发方面都取得了极大的进步。TENG与具有低电压特性电磁发电机不同，它可以看作是具有高电压低电流输出特性的电流源。因此，TENG在高压下的应用场景和机理的研究逐渐受到研究者的广泛关注。软接触FR-TENG具有较高的开路电压，最高可达千伏，且摩擦阻力小，易收集能量。以往的相关结构的文章并没有详细而规范地从几何结构、有效接触面积、介质材料的搭配模式以及摩擦介质的商业生产工艺等方面去探究其对FR-TENG输出性能的影响，而规范的设计对于提高输出性能和推进应用是必不可少的。

在王中林院士的带领下，中科院北京纳米能源与系统研究所吴治峄研究员课题组与中科院青岛海洋所王鹏课题组在《Advanced Energy Materials》期刊上发表了题为“Design Optimization of Soft-Contact Freestanding Rotary Triboelectric Nanogenerator for High-Output Performance”的文章。为了形成系统的软接触结构的FR-TENG优化方法以及进一步提高FR-TENG的输出性能，围绕FR-TENG进行了详细深入的研究，主要包括以下四个部分:1)设计合理的几何结构。对定子与转子的几何结构、叉指电极的单元和摩擦介质的形状进行了设计，并探讨了摩擦介质与叉指电极的相对位置对输出的影响。2)摩擦介质的搭配模式。结合摩擦起电性能和机械性能，比较了摩擦介质在不同工作模式下的输出性能，并且讨论了不同加工工艺对输出性能的影响。3)选择合理的信号采集方式。根据TENG的基本输出特性，选择合理的信号采集方式，才能准确表征TENG的输出性能。根据特制FR-TENG的输出信号，我们采用分压原理，利用6514静电计和11 GΩ的电阻串联，表征器件的输出信号。同时也使用了数字示波器结合高压探头测量开路电压。4)根据应用场景，探究影响因素。为了使改进后的FR-TENG在实际环境中更好地应用，需要考虑叉指电极的单元和材料、转子与定子的距离、摩擦层的厚度和转速等关键参数。

通过以上四步系统研究，成功地构建了一种具有较优输出性能的特制FR-TENG。特制FR-TENG相对开路电压密度为1.27×10⁵ V m^-2，与之前同类结构的文章的开路电压密度相比，增加2倍以上。具有超高电压密度的特制的FR-TENG，有希望应用到抑制细菌腐蚀、高压静电除尘和海洋管道和城市埋地管道的外加电流阴极保护方面，带来更为显著的效果。该工作对软接触结构FR-TENG的设计甚至是其他结构类型的TENG可以提供一些指导意见。

图文导读

图1：特制FR-TENG的结构和工作原理。a)特制FR-TENG、转子和定子的结构示意图。b)特制FR-TENG系统化研究的结构框架。c)本文与同类文章开路电压密度比较。Reprinted with permission. Copyright 2018, American Chemical Society. Reproduced with permission. Copyright 2019, John Wiley and Sons. Reproduced with permission. Copyright 2019, Elsevier. Reprinted with permission. Copyright 2021, American Chemical Society. Reproduced with permission. Copyright 2018, Springer Nature. Reproduced with permission. Copyright 2020, Elsevier. d)特制FR-TENG的工作原理。

图2：特制FR-TENG的模拟接触状态照片。a)状态a的模拟接触状态。b)状态C的模拟接触状态(FR-TENG的常规接触状态)。c)状态D的模拟接触。

图3：特制FR-TENG的输出性能受不同接触状态的影响。a)特制FR-TENG在不同FEP形状和相对位置下的输出信号。b)不同定子与转子之间的距离对特制FR-TENG的影响。c)叉指电极的不同单元数对特制FR-TENG开路电压的影响。d)单点放电和多点放电状态对特制FR-TENG的输出性能的影响。

图4：摩擦介质的工作模式对特制FR-TENG的输出性能的影响。a)特制FR-TENG在介质-导体模式下的开路电压。b)特制FR-TENG在负性摩擦介质-正性摩擦介质模式下的开路电压。c)比较特制FR-TENG在不同介质搭配模式下的输出。d)摩擦介质材料的化学结构示意图。e) FEP薄膜生产工艺对特制FR-TENG的开路电压和转移电荷的影响。f)特制FR-TENG通过加速磨损试验过程中的输出性能变化，进行了稳定性和耐磨性测试。

图5：摩擦介质材料的表面形貌，以及不同影响因子对摩擦输出信号的影响。a) FEP吹塑膜(i)和流延膜(ii)表面形貌的SEM图像。(比例尺，1µm)。b)加速磨损试验前后FEP (i→iii)和PET (ii→iv)表面形貌的SEM图像。(比例尺，10µm)。c)电阻R₁和R₂耦合的摩擦纳米发电机等效电路照片(i)，以及特制FR-TENG与外加导体产生火花放电和电弧放电时的等效电路照片(ii)。e)不同叉指电极材料对特制FR-TENG输出性能的影响。f)特制FR-TENG在不同厚度下的V_OC和Q_SC。g) 30 μm、50 μm、200 μm 厚度的FEP薄膜与叉指电极的实际接触状态。h)特制FR-TENG在不同转速下的V_OC和I_SC。i)特制FR-TENG工作状态的示意图。

图6：特制FR-TENG的应用展望。I)特制FR-TENG对腐蚀菌等细菌的抑制作用。II)化学工业静电除尘装置。III)海洋环境下金属设备的外加电源的阴极保护装置。IV)特制FR-TENGs作为能量源，对土壤中的埋地管道进行阴极保护。

相关链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202102106

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