中科院納米能源所王中林院士Adv. Funct. Mater.: 耦合彈簧及多層結構的球形摩擦納米發電機高效收集水波能

【前言】

能源在人類生活中扮演著非常重要的角色，現階段能源的消耗主要依賴于傳統化石能源，這是一種有限的、非可再生的能源。隨著化石能源的不斷開采和枯竭，迫切需要尋找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有儲量豐富、受環境因素影響較小等優點，是潛在的能夠大規模應用的能源之一。但是，近幾十年世界各國對波浪能收集的探索大都基于傳統的電磁發電機，而電磁發電機因其自身的工作原理所限，難以有效收集這種低頻的、隨機的能源。

王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起電和靜電感應效應的摩擦納米發電機，它利用麥克斯韋位移電流的機理，將周圍環境中的機械能轉化為電能。同時球形結構摩擦納米發電機因其具有質量輕、在水波中運動阻力小以及易于陣列化等諸多優點已經被用來收集水波能。但是在之前報道的工作中，還存在輸出電流較小等缺點，限制了它的實際應用。一種可能的解決方案是在球體中引入彈簧結構并改變發電機的工作模式，該彈簧結構可以存儲水波沖擊的動能，然后通過殘余振動轉換成電能。

【成果簡介】

近日，來自中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士團隊在Advanced Functional Materials上發表題為“Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting”的論文，碩士生肖天笑、梁茜和蔣濤副研究員是論文的共同第一作者。在這項工作中，作者設計了一種基于彈簧及多層結構的球形TENG單元，并組成TENG陣列來收集水波的能量。彈簧結構的引入可以將低頻水波運動轉化為高頻振動，提高了球形TENG的輸出性能，而多層結構提高了空間利用率，導致球形單元的輸出更高。由于其獨特的結構，一個球形TENG單元的輸出電流可達120μA，比以往滾動球形TENG單元的輸出電流大兩個數量級，在水波的觸發下，最大輸出功率可達7.96 mW。由四個單元集成得到的TENG陣列能夠成功驅動幾十個LED燈，并為電子溫度計供電。這項研究展示了納米發電機在大規模藍色能源收集中的重要應用前景。

【圖文導讀】

圖1. 球形摩擦納米發電機的結構

a)浮于水面的耦合彈簧及多層結構的球形TENG的示意圖，五個基本單元形成的鋸齒多層結構的放大示意圖；

b)制備的TENG器件的照片；

c)球形TENG每個單元的工作原理示意圖。

圖2. 性能表征

a)水波作用下含五個基本單元的單球形發電機的典型輸出電流，b)轉移電荷，和c)輸出電壓；

d)含五個基本單元的球形發電機的平均峰值電流和平均峰值功率與電阻的關系。

圖3. 性能表征

在不同水波頻率下，含五個基本單元的球形發電機的a)輸出電流，b)轉移電荷，c)輸出電壓，d)輸出功率。

圖4. 性能表征

在不同水波振幅（信號發生器的輸出電壓幅值）下，含五個基本單元的球形發電機的a)輸出電流，b)轉移電荷，c)輸出電壓，d)輸出功率。

圖5. 結構優化

銅塊質量對含五個基本單元的球形發電機的a)輸出電流，b)轉移電荷，c)輸出功率的影響；多層結構中發電單元的集成數目對球形發電機的d)輸出電流，e)轉移電荷，f)輸出功率的影響。

圖6. ?TENG陣列的應用

a)在水波作用下，由TENG陣列點亮“TENG”圖案的數十個LED燈的照片；

b) TENG陣列的整流輸出電流和c )在不同水波頻率下輸出功率與電阻的關系；

d) 在水波作用下，通過對470 mF電容器充電，TENG陣列驅動電子溫度計測量實時水溫的照片；

e) TENG陣列對470 mF電容的充放電曲線；

f) TENG陣列對不同電容器的充電曲線。

【結論】

綜上所述，作者通過耦合彈簧及多層結構制備了一種可以高效收集水波能的球形摩擦納米發電機。該球形摩擦納米發電機中每個發電單元的工作模式均為垂直接觸-分離模式。在真實水波實驗環境中，在1.0 Hz的水波頻率，2.5 V的信號發生器輸出電壓幅值（對應于水波振幅）的水波沖擊下，其最大功率可達7.96 mW，輸出電流為120 μA。進一步研究了不同水波頻率和不同水波振幅下，該摩擦納米發電機的電學輸出性能，發現其在1.0 Hz的水波頻率下能達到最大輸出值，能較好地適用于水波的低頻工作環境。然后，從球形摩擦發電機中所用的銅塊質量以及集成的發電單元數量兩個方面對其進行結構優化。最后，將四個優化后的球形摩擦納米發電機組成發電陣列，其輸出功率和輸出電流分別達到15.97 mW和225 μA，并成功驅動電子溫度計工作，測量水的實時溫度，顯示了該摩擦納米發電機在水波能大規模收集中的巨大潛力。

文獻鏈接：Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201802634)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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