王中林院士Adv. Energy Mater.：柔韌性螺旋結構的摩擦納米發電機的新發現

【引言】

在2006年，王中林課題組首次發明納米發動機，從此引發了納米發電機研究的熱潮。近期研究發現，螺旋的摩擦納米發電機比振動納米發電具有更多的優點。比如，螺旋的摩擦納米發電機可以用來收集水波能，提高能量的收集效率，放大振動頻率，提高低頻性能。其中，三維的螺旋納米發電機不僅可以收集能量，還可以作為探測器。但是，螺旋納米發電機中丙烯酸材料的應用，導致其只能收集軸向振動的能量。因此，柔性的螺旋納米發動機的研究和任意方向上振動能量的收集、，仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）課題組以硅膠彈簧作為螺旋結構的基體材料，制備了柔韌性很好的摩擦納米發電機。該螺旋結構的摩擦納米發電機能夠收集任意方向的振動能量，能夠將環境激勵轉換為電能。另外，螺旋結構的摩擦納米發電機的輸出信號，能夠作為自供電探測器。相關成果以“A Soft and Robust Spring Based Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Vibration Energy and Self-Powered Vibration Sensing” 為題發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 螺旋摩擦納米發電機的模型及其工作機制示意圖

(a) 螺旋結構的摩擦納米發電機的裝置示意圖；

(b) 螺旋結構的摩擦納米發電機采用的碳纖維的SEM圖像；

(c) 螺旋結構的摩擦納米發電機的實物圖；

(d) 螺旋結構的摩擦納米發電機的垂直振動機制；

(e) 螺旋結構的摩擦納米發電機的水平振動機制。

圖2 螺旋摩擦納米發電機的力學性能及其線性發動機的電輸出性能圖

(a) 直線電機壓縮螺旋結構的摩擦納米發電機的示意圖；

(b) 螺旋結構的摩擦納米發電機的彈性特點；

(c) 峰壓；

(d) 峰電流；

(e) 不同電壓下，最高的充電電流；

(f) 負載電阻時的最大電壓和最大功率。

圖3 螺旋摩擦納米發電機的物理模型、模態仿真和頻率響應

(a) 垂直振動激勵和水平振動激勵的物理模型；

(b) 第一次ANSYS軟件對三種振動模型的模擬；

(c) 垂直振動激勵和水平振動激勵的頻率響應。

圖4 在共振頻率下，垂直振動激勵16Hz和水平振動激勵8.5Hz的電輸出

(a) 平均最高電壓；

(b) 平均最高電流；

(c) |a| = 1–23 m s^?2加速度下，平均的峰值電流；

(d) 瞬時電壓；

(e) 瞬時電壓；

(f) 在|a| = 23 m s^?2下，負載電阻的最高電壓和最高功率；

(g) 垂直共振的功率輸出；

(h) 負載電阻的水平振動的功率輸出；

(i) 50 μF的商業電容器的充電電壓與充電時間的函數。

圖5 螺旋摩擦納米發電機的振動能量收集和振動傳感器應用

(a) LEDs和功率傳感器應用的工作電路；

(b) 驅動發光二極管發光；

(c) 采用振動篩測量，汽車模型上的濕度和溫度傳感器應用；

(d) 加速度傳感器的原理圖；

(e) 垂直振動激勵下，模型車的加速度和頻率感應；

(f) 商業電容器和螺旋摩擦納米發電機的比較圖。

【總結】

螺旋的、柔性的摩擦納米發動機能夠在水平和垂直方向上振動。它的共振頻率和有限元模擬具有一致性。它的性能能夠通過選擇合適的材料、改性表面形貌，進而，增加其充電的電流密度。因此，摩擦納米發動機能夠收集任意方向能量，如：海水波、海風振動和走路振動等，也能夠作為自振式傳感器。

文獻鏈接：A Soft and Robust Spring Based Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Vibration Energy and Self-Powered Vibration Sensing (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702432)。

本文由材料人編輯部張金陽編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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