北京大學Nano Energy：基于單方向堆疊結構的超靈敏摩擦納米發電機結合低損耗能量管理收集環境中的微弱能量

u2175908346 6年前 (2017-09-14) 3739瀏覽

 

【引言】

為了滿足便攜式、無線電子器件的能源需求，環境中的能量轉化越來越重要。目前存在的大型工業設備技術已經能夠轉化環境中風能、潮汐能等各種大型的能量。然而，對于環境中小幅度、低頻率能量的收集技術一直進展緩慢, 這是因為這種微弱能量的收集技術對靈敏度和效率有更高的要求。因此，需要更加有效的技術來轉化這種有限的能量。最近，高效、結構簡單的摩擦納米發電機（TENG）的出現，為解決上述問題提供了契機。研究人員通過結構設計和力學分析，構建了一種超靈敏、高效多層結構的摩擦納米發電機，結合低損耗的能量管理設計能夠有效地收集環境中的微弱能量。

【成果簡介】

近日，北京大學信息科學技術學院胡又凡研究員（通訊作者）課題組以銅（Cu）覆蓋的氟化乙丙烯（FEP）薄膜在垂直方向上交錯堆疊的方式構建了一種超靈敏的摩擦納米發電機。由于獨特的結構設計，每個相鄰薄膜之間發生摩擦起電和靜電感應從而使得產生的轉移電荷至少提高50%。同時，通過減輕重量和彈簧懸浮結構大大提高器件的靈敏度。結合基于結型場效應晶體管(JFET)的線性穩壓調節電路，可以實現低損耗能量管理。該研究成果以“Ultrasensitive Triboelectric Nanogenerator for Weak Ambient Energy with Rational Unipolar Stacking Structure and Low-Loss Power Management”為題發表在Nano Energy上，博士研究生趙至真為第一作者。

【圖文導讀】

圖1. 超靈敏多層TENG的制作和工作機理

  1. 兩塊亞克力板作為基底，一塊設置為固定底板而另一塊通過彈簧懸浮在底部固定的亞克板上；
  2. 兩組Cu-FEP薄膜交錯堆疊在基底上;
  3. 含4層Cu-FEP膜的超靈敏TENG示意圖;
  4. 超靈敏TENG的截面圖;
  5. Cu-FEP薄膜上微結構的示意圖和AFM圖;
  6. 超靈敏TENG的實物圖;
  7. 含4層Cu-FEP薄膜的超靈敏TENG工作過程示意圖;
  8. 單方向堆疊結構的TENG器件理論模型。

圖2. 超靈敏TENG的表征

  1. 含2，4和6層Cu-FEP薄膜的超靈敏TENG在8 Hz頻率下的開路電壓；
  2. 含2，4和6層Cu-FEP薄膜的超靈敏TENG在8 Hz頻率下的短路電流；
  3. 含6層Cu-FEP薄膜的超靈敏TENG在6~9 Hz不同頻率下的開路電壓；
  4. 含2層Cu-FEP薄膜的超靈敏TENG在6~9 Hz不同頻率下對4.7μF電容從0 V充到10 V的充電曲線；
  5. 含4層Cu-FEP薄膜的TENG在6~9 Hz不同頻率下對4.7 μF電容從0 V充到10 V的充電曲線;
  6. 含6層Cu-FEP薄膜的TENG在6~9 Hz不同頻率下對4.7μF電容從0 V充到10 V的充電曲線;
  7. 電荷轉移速率和Cu-FEP薄膜層數的線性擬合；
  8. 不同薄膜層數的超靈敏TENG對電容的充電能量對應時間的曲線；
  9. 電容存儲的能量除以Cu-FEP薄膜的層數。

圖3. 超靈敏TENG的機械運動研究

  1. ?超靈敏TENG中懸浮部分運動被拆解為平移x(t) 和旋轉θ(t) 兩種運動過程；
  2. ?在同樣機械能輸入下的平移和旋轉運動對應在COMSOL中的模擬開路電壓結果；
  3. ?表征有不同轉動慣量TENG電學性能的實驗設置示意圖；
  4. ?為了改變轉動慣量，一組相同的Cu塊放在TENG不同的位置上；
  5. ?在相同的實驗激勵條件下， Cu塊放在1位置時，TENG的開路電壓；
  6. ?在相同的實驗激勵條件下， Cu塊放在2位置時，TENG的開路電壓；
  7. ?Cu塊放在1位置和2位置時，TENG給電容充電的電壓比較；
  8. ?Cu塊放在1位置時，TENG開路電壓的頻譜分析；
  9. ?Cu塊放在2位置時，TENG開路電壓的頻譜分析。

圖4. 低損耗能量管理電路，DCTN-1

  1. ?能量管理電路的電路圖；
  2. 能量管理電路的實物圖；
  3. 相同輸入條件下，輸出電壓被穩壓到1.5 V，3.3 V，4.5 V，5 V和6 V；
  4. 對比DCTN-1和LTC?3588-1在帶1MΩ負載電阻下的輸出電壓；
  5. 相同輸入條件下，機械表和電子表經過DCTN-1的輸出電壓；
  6. 相同輸入條件下, 電容存儲的電壓；
  7. 在滿足機械表運行的同時，電路系統對鋰電池充電的電流圖與機械表上測得的實時電壓；
  8. 在滿足機械表運行的同時，給鋰電池充電的電壓變化圖與充電電路部分的實物圖。

【小結】

該研究組構建的單向堆疊結構超靈敏TENG，結合低損耗能量設備能夠有效收集環境中的微弱能量。相比傳統結構的發電機，該設計使發電機的轉移電荷提高了至少50%，大大提高了效率。彈簧懸浮結構的引入改善了發電機靈敏度。結合工作在線性區的JFET，能夠實現低損耗的能量管理。通過收集環境中大量的機械能，這種超靈敏和高效的能量收集設備能夠為未來各種場景下的自驅動電子系統提供可靠穩定的能源供給。

文獻鏈接：Ultrasensitive Triboelectric Nanogenerator for Weak Ambient Energy with Rational Unipolar Stacking Structure and Low-Loss Power Management （Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.010）

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