天津理工大學Nano Energy：尺寸對多電極層疊加的小型化摩擦納米發電機輸出的影響

u2175908346 6年前 (2017-09-25) 4319瀏覽

【引言】

隨著人口的增長和電子器件的發展，能源需求大幅度增加。然而，現有的不可持續能源，例如煤、石油和天然氣已經大幅度減少。同時，從風、水、太陽以及潮汐獲取的能量并不能滿足人類需求。這些問題促使人們尋找新的能源。經過不斷的發展，人們開始關注身邊隨時可用的能量，這種豐富而微弱的能量，可以滿足日益增長移動設備的能量需求。為了實現各種類型能量的轉變，壓電、熱電、熱釋電和摩擦起電效應被利用。其中，基于摩擦起電效應的摩擦納米發電機（TENG），由于它高的輸出和轉化效率受到大量關注。

近年來，一直關注提高TENG的輸出，例如通過控制材料的表面結構、表面修飾以及增加摩擦層數量。然而這些方法無不要求昂貴的加工技術以及需要大體積的發電機，這限制了它們在小面積區域的廣泛使用。為此，研究人員利用兩平行板之間的邊緣效應，設計了一種多層電極疊加的小型化TENG。這種設計能夠有效的減小發電機體積和提高輸出。

【成果簡介】

近日，天津理工大學材料科學與工程學院陳民芳教授（通訊作者）研究小組利用發電機平行板之間的邊緣效應，構建了一種多層電極疊加的TENG。當發電機的上下分離間隙達1.5cm，間隙距離和發電機的長度比達0.4時，它的短路電流輸出在疊加8個電極層達到飽和，并超出相應的單電極層的輸出3-5倍，同時體積相應的減小了50-80%。該研究成果以“Size effect on the output of a miniaturized triboelectric nanogenerator based on superimposed electrode layers”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. TENG制作過程

  1. 有四個堆疊電極層的TENG示意圖；
  2. 疊加多層電極TENG的實物圖；
  3. 制備堆疊電極層TENG的過程。

圖2. 在不同刻蝕時間下，聚左旋乳酸（PLLA）片表面形貌AFM圖和TENG的電學性能

  1. PLLA膜用NaOH分別刻蝕0、5、10、15、20和25min的AFM圖；
  2. 不同刻蝕時間的PLLA片和硅膠片組成TENG的開路電壓；
  3. 不同刻蝕時間的PLLA片和硅膠片組成TENG的短路電流；
  4. 不同刻蝕時間的PLLA片和硅膠片組成TENG的轉移電荷。

圖3. 外部電路和鋁電極在不同連接下，含N個堆疊電極層TENG的輸出

  1. 外部電路和鋁電極以A形式連接；
  2. 以A形式連接TENG的開路電壓；
  3. ?以A形式連接TENG的短路電流；
  4. ?外部電路和鋁電極以B形式連接；
  5. 以B形式連接TENG的開路電壓；
  6. 以B形式連接TENG的短路電流。

圖4. 基于堆積電極層TENG的工作機理

  1. ?TENG輸出產生過程的整個循環；
  2. ?帶電平行板的電場；
  3. ?右邊交叉陰影區是邊緣效應的突出區。

圖5. 上下摩擦層間距離對TENG性能的影響

  1. ?4層電極層，尺寸為L×L=2cm×2cm 的TENG示意圖；
  2. 電極層尺寸為L×L=2cm×2cm 的TENG，在不同分離距離下的開路電壓；
  3. ?電極層尺寸為L×L=2cm×2cm 的TENG，在不同分離距離下的短路電流；
  4. 4層電極層，尺寸為L×L=4cm×4cm 的TENG示意圖；
  5. ?電極層尺寸為L×L=4cm×4cm的TENG，在不同分離距離下的開路電壓；
  6. 電極層尺寸為L×L=4cm×4cm的TENG，在不同分離距離下的短路電流。

圖6. 不同尺寸TENG的電學性能測量

  1. 尺寸為L × L = 1 cm × 1 cm TENG的實物圖；
  2. 尺寸為L × L = 1 cm × 1 cm TENG的開路電壓；
  3. 尺寸為L × L = 1 cm × 1 cm TENG的短路電流；
  4. 尺寸為L × L =2cm × 2 cm TENG的實物圖；
  5. 尺寸為L × L = 2cm × 2 cm TENG的開路電壓；
  6. 尺寸為L × L = 2cm × 2 cm TENG的短路電流；
  7. 尺寸為L × L = 4 cm × 4 cm TENG的實物圖；
  8. 尺寸為L × L = 4 cm × 4 cm TENG的開路電壓；
  9. 尺寸為L × L = 4 cm × 4 cm TENG的短路電流；
  10. 尺寸為L × L = 6 cm × 6 cm TENG的實物圖;
  11. 尺寸為L × L = 6 cm × 6 cm TENG的開路電壓;
  12. 尺寸為L × L = 6 cm × 6 cm TENG的短路電流；
  13. 尺寸為L × L = 8 cm × 8 cm TENG的實物圖;
  14. 尺寸為L × L = 8 cm × 8 cm TENG的開路電壓;
  15. 尺寸為L × L =8 cm × 8 cm TENG的短路電流。

圖7. 測量尺寸為L × L = 4 cm × 4 cm，摩擦層之間間隙1.5cmTENG的開路電壓和短路電流

  1. ? N個電極層堆疊的TENG實物圖；
  2. ? 并聯n個單層電極TENG的實物圖；
  3. ?由N個電極層堆疊而成TENG的開路電壓；
  4. 由N個電極層堆疊而成TENG的短路電流；
  5. 并聯n個單層電極TENG的開路電壓；
  6. 并聯n個單層電極TENG的短路電流。

【小結】

該研究小組利用平行板的邊緣效應，構建了多電極層堆疊結構的TENG，相比單電極層TENG，輸出提高了3-5倍，并且體積減小了50-80%。由于該發電機的輕質量、低成本、制作簡單和致密的結構將有助于未來的小型化應用和人體植入。

文獻鏈接：Size effect on the output of a miniaturized triboelectric nanogenerator based on superimposed electrode layers（Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.030）

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