河南大學 Nano Energy: 自驅動靜電振動開關用于摩擦納米發電機的輸出能量管理

【引言】

近年來，基于摩擦起電和靜電感應耦合的摩擦納米發電機(TENG)已經成為將機械能轉化為電能的一項新技術。并且，摩擦納米發電機已經被證明可以應用于電化學、生物醫學、自驅動傳感器等諸多領域，具有廣闊的發展前景。然而，傳統的摩擦納米發電機由于具有巨大的固有阻抗，導致了其在為電子設備供電和為儲能原件充電時存在阻抗失配的問題。開關的使用已經被證明能夠有效的解決這一問題。目前開關已經應用于摩擦納米發電機的各種模式，有效的提高了摩擦納米發電機的輸出性能。但是，目前設計的開關多為外部機械觸發或電路觸發，所以開關的結構必須精心設計，以匹配摩擦納米發電機的運動，這增加了摩擦納米發電機的制作難度和制作成本。因此，設計一種無需外部機械觸發或電路觸發的自驅動開關，對于摩擦納米發電機的發展具有重要意義。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授（通訊作者）研究小組在Nano Energy上發表了題為“Managing and Optimizing the Output Performances of a Triboelectric Nanogenerator by a Self-Powered Electrostatic Vibrator Switch”的文章。報道了一種自驅動靜電振動開關式摩擦納米發電機（TENG-EVS）。該靜電振動式開關的閉合由摩擦納米發電機自身產生的電勢差來驅動。將該開關應用于水平滑動模式的摩擦納米發電機時，可以通過改變開關的振動頻率來調節摩擦納米發電機的電學輸出性能。將該開關應用于旋轉模式的摩擦納米發電機時，可以通過匹配開關的振動頻率和轉盤的運動頻率，使摩擦納米發電機的電學輸出達到最佳。此外，通過將TENG-EVS與變壓器結合形成了一個電源管理系統，并且已經驗證了該系統具有較強的充電能力和驅動能力。該項工作的第一作者為河南大學碩士研究生楊俊潔，河南大學程綱教授和杜祖亮教授為本文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. TENG-EVS的結構及工作原理示意圖

(a) TENG-EVS的結構示意圖；

(b) 反應離子刻蝕后PTFE薄膜表面的AFM表征圖；

(c) TENG-EVS的工作原理示意圖。

圖2. 不同開關長度(L)時，TENG-EVS的輸出電壓、電流及轉移電荷量曲線

(a) L=4.3 cm時，TENG-EVS的輸出電壓、電流曲線；

(b) L=5.4 cm時，TENG-EVS的輸出電壓、電流曲線；

(c) L=5.4 cm時，TENG-EVS的轉移電荷量曲線；

(d) L=7.5 cm時，TENG-EVS的輸出電壓、電流曲線；

(e) L=7.5 cm時，TENG-EVS的轉移電荷量曲線。

圖3. TENG-EVS的輸出性能和負載的關系

(a) TENG-EVS的輸出頻率/輸出時間間隔和開關長度的關系；

(b) TENG-EVS半個周期內的轉移電荷量/脈沖峰數量和靜電振動開關振動頻率的關系；

(c) TENG-EVS/TENG的輸出電壓峰值和負載的關系；

(d) TENG-EVS/TENG的輸出電流峰值和負載的關系；

(e) TENG-EVS/TENG的輸出功率峰值和負載的關系；

(f) TENG-EVS/TENG一個周期內的輸出能量和負載的關系；

圖4. 開關振動頻率為40.3 Hz時，旋轉模式TENG-EVS的電學輸出

(a) 旋轉模式的TENG-EVS的結構示意圖；

(b-e) 不同旋轉速度時，TENG-EVS的輸出電壓、電流曲線；

(f) TENG-EVS一個周期內的輸出能量和旋轉速度的關系。

圖5. 最優開關振動頻率時，旋轉模式TENG-EVS的電學輸出

(a) 旋轉速度為510 RPM時，TENG-EVS的最優輸出曲線；

(b) 旋轉速度為430 RPM時，TENG-EVS的最優輸出曲線；

(c) 開關的最優振動頻率/最大電壓峰值和旋轉速度的關系；

(d) TENG-EVS的轉移電荷量/最優輸出能量和旋轉速度的關系。

圖6. TENG-EVS的應用

(a) 電源管理系統為電容充電/點亮QLED的電路示意圖；

(b) QLED的結構示意圖；

(c) 四種不同供電電路為47 μF電容充電時的電壓曲線；

(d) 四種不同供電電路為47 μF電容充電時的能量曲線；

(e) QLED的發光曲線；

(f) 四種不同供電電路分別點亮QLED的照片。

【小結】

本文研制了一種自驅動靜電振動式開關，該開關由兩個金屬部分組成：作為彈性振子的金屬絲和作為接觸端的金屬板。我們分別研究了水平滑動模式和旋轉模式下TENG-EVS的輸出特性。對于水平滑動模式的TENG-EVS，其輸出特性可以通過改變開關的振動頻率來調節。當外界負載電阻為0.1 MΩ時，其瞬時輸出功率和一個周期內的輸出能量分別為5.13 W和221.96 μJ，與沒有使用開關的摩擦納米發電機相比分別增加了1.8×10⁷和4.7×10³倍。對于旋轉模式的TENG-EVS，通過匹配開關的振動頻率和摩擦納米發電機的運動頻率，可以實現TENG-EVS的最優輸出。并且，與傳統的TENG相比，TENG-EVS具有更強的充電能力，其在15 s內所儲存的能量是傳統TENG的1800倍。此外，使用變壓器的TENG-EVS被證實具有更強的驅動能力，可以點亮一個QLED。本篇工作為摩擦納米發電機的輸出能量管理提供了新的方法。

文獻鏈接：Managing and Optimizing the Output Performances of a Triboelectric Nanogenerator by a Self-Powered Electrostatic Vibrator Switch (Nano Energy, 2018, 46, 220-228.)

課題組簡介：

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文40余篇。主持國家自然科學基金3項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。Email：chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn

以上資料來自河南大學程綱老師課題組，特此感謝！

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