中北大學Nano Energy：摩擦起電-壓電-電磁復合納米發電機打造高效振動能量收集和自驅動無線監測系統

【引言】

隨著網絡技術的進步，可穿戴電子器件和無線傳感的出現，改變了我們的生活方式。它們加速了信息收集和資源共享，導致人類社會邁向智能時代。能源供給對于網絡運行至關重要。當前，外部能源供給是由鋰離子電池實現。但是，有限壽命和環境污染問題是電池需要克服的技術瓶頸。新能源開發和實現自驅動器件、系統是一條可行的途徑。目前，低功耗技術將器件功耗從mW 降到了 μW。大大減少了微電子器件的能源消耗，在未來希望實現nW功耗。為此，目前給微電子器件供能，最普遍的方法是將環境的能量（機械能、光能和熱能）轉化為電能。

在這些自然能源中，對能量收集而言，來自運動物體的振動是最有前景的候選者。就當前而言，有很多的機理可以將振動能量轉化為電能，例如:電磁感應、壓電和磁致伸縮。此外，一種新的方式，摩擦起電也可以將振動能量轉化為電能。這種轉化方式具有高功率輸出、高轉化率、低成本以及材料選擇范圍廣等優勢。但是，這些能量收集方式在實際應用有以下問題：首先，電路管理的使用，有大量的能量損失；其次，在振動發電機中，以彈簧或懸浮裝置作為移動裝置，縮減了器件的壽命；第三，對于便攜式收集系統，應該可以在小的力下運行；最后，發電機對振動強度的響應范圍應該更寬。然而，任何一種單獨的振動發電機都不能解決這些問題。為此，研究人員通過補充轉換機制，發明了一種摩擦起電-壓電-電磁復合納米發電機可以收集更多的能量。

【成果簡介】

近日，中北大學電子測試重點實驗室丑修建教授和薛晨陽教授（共同通訊作者）研究小組發明了一種摩擦起電-壓電-電磁復合納米發電機，將三種收集方式集成到一個器件。該器件的核心結構是磁懸浮結構。一方面它比傳統彈簧或懸浮裝置更加靈敏，有助于微能量的收集；另一方面機械疲勞可以被避免，延長了器件的壽命。該研究成果以“Triboelectric-Piezoelectric-Electromagnetic Hybrid Nanogenerator for High-Efficient Vibration Energy Harvesting and Self-powered Wireless Monitoring System”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 摩擦-壓電-電磁復合納米發電機結構

（a）（b）PZT和CNT摻雜硅膠的掃描電鏡圖；

（c）納米發電機的結構示意圖；

（d）磁分布；

（e）圓錐凸板PEG單元；

（f）（g）（h）納米發電機的尺寸大小。

圖2. 復合納米發電機的工作機理

（a）（b）（c）頂部、中間和底部的磁通密度；

（d）納米發電機的始態；

（e）（f）（g）（h）摩擦起電、電磁和壓電單元的電荷產生過程。

圖3. EMG的電學輸出

（a）? EMG1的開路電壓；

（b）? EMG1的短路電流；

（c）? 輸出電壓和輸出功率與負載電阻之間的關系；

（d）? EMG2開路電壓；

（e）? EMG2的短路電流；

（f）EMG2輸出電壓和輸出功率與負載電阻之間的關系。

圖4. PEG的電學輸出

（a）? PEG1的開路電壓；

（b）? PEG1的短路電流；

（c）? PEG1的輸出電壓和功率與外部負載之間的關系；

（d）? PEG2的開路電壓；

（e）? PEG2的短路電流；

（f）? PEG2的輸出電壓和功率與外部負載之間的關系。

圖5. TENG的電學性能

（a）? TENG的開路電壓；

（b）? TENG的短路電流；

（c）? TENG的輸出電壓和功率與外部負載電阻之間的關系。

圖6. 發電機在不同頻率下的電學輸出

在2Hz、6Hz、10Hz和20Hz下的輸出：（a）EMG的開路電壓;(b)ENG 短路電路；(c) PEG的開路電壓；(d)PEG的短路電流；(e)TENG的開路電壓；（f）TENG的短路電流。

圖7. 在整個周期內不同發電機單元產生的電學信號

（a）? PEG1和PEG2在一個周期內的輸出電壓；

（b）? EMG1和EMG2在一個周期內的輸出電壓；

（c）? 在同步數據采集期間，PEG 1, EMG 1和TENG的輸出電壓；

（d）? 在一個峰內的相關曲線；

（e）? t1, t2, t3和t4內，底部單元的動態過程。

圖8. 復合納米發電機的應用

（a）當拍打桌子時，復合發電機點亮LED；

（b）當拍打桌子時，復合發電機產生的電流和電壓；

（c）（d）（e）（f）汽車通過減速帶時，點亮LED。

圖9. 復合發電機通過電路管理實現能源儲存

（a）帶有整流單元的充電電路；

（b）復合發電機給1000μF電容充電；

（c）在不同單元下的充電率。

圖10. 無線監控系統和能量采集裝置的集成和應用

（a）電路組件的大小；

（b）自驅動無線傳感系統；

（c）集成系統的大小；

（d）自驅動無線傳感系統和控制計算機終端；

（e）（f）監測界面的振動和溫度數據。

【小結】

該小組研究人員發明的摩擦起電-壓電-電磁復合納米發電機既可以收集振動能量又可以實現無線監測系統。該發電機有一個小的尺寸（Φ48×27mm）和輕的質量（80g），適合智能移動終端和物聯網。該復合納米發電機擁有高效的能量收集能力。基于發電機優越的性能，可以驅動無線傳感系統，獲得振動和溫度信號。該工作使振動能量的收集更向前邁進了一步。

文獻鏈接： Triboelectric-Piezoelectric-Electromagnetic Hybrid Nanogenerator for High-Efficient Vibration Energy Harvesting and Self-powered Wireless Monitoring System（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.039）

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