河南大學程綱Advanced Functional Materials:?摩擦納米發電機的無源高效電源管理

【引言】

物聯網作為一個全新的領域，通過信息的傳感、處理和傳輸，來實現物與物、物與人之間的互聯。傳感終端是物聯網的重要構成部分，由溫度、濕度、光、壓力、氣體等各種傳感器件組成。這些小型傳感器件單個耗能很小，但其數量巨大且分布廣泛。因此，使用電池來驅動整個傳感器網絡是不現實的，不僅會帶來難以追蹤和回收的問題，并會產生環境污染與健康危害。因此我們急需一種能夠獨立為這種小型電子器件持續供電的新型能源。

摩擦納米發電機?(TENG) 作為一種全新的能源獲取方式，通過摩擦起電與靜電感應的耦合，可以將環境與人體運動產生的機械能直接轉化為電能。相比于傳統的電磁感應發電機，其在低頻機械能的收集中具有優勢，并且具有結構簡單、成本低廉的優點。目前，TENG不僅可以收集風能、振動、水滴、水流、波動的能量，也可以發展光、氣體、聲音、脈搏、溫度等自驅動傳感系統。TENG的輸出具有電壓高、電流低的特性，需要使用電源管理電路（PMC）將其電能高效存儲起來，以滿足小型電子器件的供電要求。但是，TENG的輸出阻抗大，與PMC的阻抗不匹配，是發展高效PMC所面臨的重要問題。

【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在Advanced Functional Materials上發表了題為“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。報道了一種單向開關式摩擦納米發電機?(TENG-UDS)，并將其應用到電源管理電路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的負載范圍內保持輸出能量的最大化，不受負載電阻的影響。而且由于開關中雙觸頭的設計，無需整流實現了單向的電學信號輸出。在此基礎上，設計了由電感、二極管和儲能電容等簡單原件組成的無源PMC。理論計算結果表明，該無源PMC的總能量存儲效率可以達到75.8%。在對10 μF電容的實際充電測試中，總能量存儲效率可以達到48.0%。演示結果表明，利用此PMC所存儲的電能可以驅動商用電子表和高亮度的QLED器件。該項工作的第一作者為河南大學碩士研究生秦懷方，河南大學程綱教授、香港中文大學訾云龍博士、佐治亞理工學院王中林院士是本文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. TENG-UDS的結構與工作原理示意圖

(a) 單向開關式摩擦納米發電機的結構示意圖；

(b) PTFE薄膜表面RIE刻蝕后的AFM圖；

(c-f) 單向開關式摩擦納米發電機的工作原理示意圖。

圖2. TENG-UDS與TENG-WOS的輸出特性與負載的關系

(a) 負載為20?MΩ時TENG-UDS的輸出電流曲線及放大圖；

(b) TENG-UDS在負載為1、10、50?MΩ的輸出電壓曲線；

(c) TENG-UDS與TENG-WOS的輸出電壓峰隨負載變化的關系；

(d) TENG-UDS與TENG-WOS的輸出電流峰隨負載變化的關系；

(e) TENG-UDS與TENG-WOS的輸出功率峰隨負載變化的關系；

(f) TENG-UDS與TENG-WOS的輸出能量隨負載變化的關系。

圖3.?基于TENG-UDS的無源電源管理電路

(a-b) 基于TENG-UDS的無源電源管理電路的兩個能量轉移階段；

(c) 理論計算理想與非理想電感下電容C₂的電壓與充電次數的關系；

(d) 理論計算理想與非理想電感下單個充電循壞存儲的能量及能量存儲效率與充電次數的關系；

(e)?理論計算理想與非理想電感下總存儲能量及能量存儲效率與充電次數的關系。

(f) 模擬的非理想電感下通過電感的電壓隨時間變化的關系；

(g) 模擬的非理想電感下第一個充電循環通過電感電壓的放大圖；

(h)?模擬的非理想電感下第一個充電循環通過二極管電壓的放大圖。

圖4. 無源電源管理電路的能量轉移過程及效果對比

(a) 測量得到的一個充電循環中通過電感的電流曲線、局部放大圖；

(b) 測量得到的一個充電循環中通過電感的電壓曲線；

(c) 測量得到的一個充電循環中通過電感的電壓的局部放大圖；

(d)?測量得到的一個充電循環中電感存儲的能量；

(e)?TENG-UDS轉移的電荷量隨充電次數的關系；

(f) TENG-UDS加入電源管理電路后轉移的電荷量隨充電次數的關系；

(g) 測量得到的加入電源管理電路前后電容C₂的電壓；

(h) 測量得到的加入電源管理電路前后總的存儲能量；

(i) 測量得到的加入電源管理電路前后總的存儲能量效率。

圖5. 無源電源管理電路的應用演示

(a) 基于TENG-UDS的無源電源管理電路驅動電子器件的電路圖；

(b) 無源電源管理電路驅動商用電子表正常工作的實物圖；?

(c)?QLED器件的結構圖；

(d) QLED器件的J-V-L曲線；

(d) 無源電源管理電路點亮QLED的實物圖。

【小結】

本文研制了一種具有單向開關的摩擦納米發電機，無需整流即可實現單向的電學輸出。TENG-UDS可以在1 kΩ到1 GΩ的范圍內保持輸出電壓和輸出能量的最大化，不受負載電阻的影響，這和傳統的PMC具有優良的阻抗失配。基于TENG-UDS，設計了一種結構簡單、儲能效率高的無源PMC，它由電感、二極管和電容器等無源電子元件組成。理論計算表明，此無源PMC的理論儲能效率可以達到75.8%。在實際實驗過程中，測得的儲能效率可達48%。演示結果表明，采用此無源PMC可以驅動商用電子表和高亮度的QLED器件。基于TENG-UDS的無源PMC具有結構簡單、能耗低、儲能效率高等優點，為TENG的電源管理和實際應用提供了一種前景廣闊的方法。

作者簡介

秦懷方，男，1991年生，碩士研究生，現就讀于河南大學特種功能材料重點實驗室。研究方向是摩擦納米發電機的輸出特性調控及電源管理。

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：chenggang@henu.edu.cn

訾云龍，香港中文大學機械與自動化工程學系助理教授。2014年，在普渡大學獲得物理學博士學位；2014-2017年，在佐治亞理工學院進行博士后研究，師從王中林院士；并與2017年加入香港中文大學創建微納能源與智能系統實驗室。訾博士目前的研究興趣集中于摩擦發電機理的相關基礎研究、摩擦發電器件的高電壓應用、自供電系統、高效機械能量收集和存儲技術等。他提出的一系列研究成果為摩擦發電器件的發展和應用奠定了基礎，有望實現“自驅動系統”的目標。目前發表高水平論文60余篇，出版專著2部，申請國內外專利8項，引用2600余次。作為第一作者，他的研究成果發表在了Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Nano Energy等頂級期刊上。訾博士于2017年榮獲“材料研究學會博士后獎”，是佐治亞理工學院的第一位獲獎者；于2013年榮獲普渡大學的“轉型創造者”稱號，并榮登普渡大學首頁。

王中林，中國科學院外籍院士、歐洲科學院院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所創始所長和首席科學家、中國科學院大學納米科學與技術學院院長，美國佐治亞理工學院終身校董事講席教授、Hightower終身講席教授。王中林院士是納米科學與技術領域的著名科學家。他首次發明了納米發電機和自驅動納米系統技術，被譽為“納米發電機之父”。他是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人，發明了壓電納米發電機和摩擦納米發電機，首次提自驅動系統、海洋藍色能源等原創科學概念，并將納米能源稱為“新時代的能源”。已在國際一流刊物上發表1500多篇論文（其中發表在Science、Nature及其子刊上的文章50余篇），擁有100項專利、7部專著和20余部主編書籍、會議文集。根據Google Scholar 的公開數據，王中林教授論文引用近19萬次，標志影響力的H指數是216，在納米科學與納米技術領域總引用數和H指數排名世界第一。先后獲得各類國際性重大獎項10余次，包括2018年“能源界諾貝爾獎”埃尼獎、2015年湯森路透引文桂冠獎、2011年美國材料學會獎章。

文獻鏈接： High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit. (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805216)

網址鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201805216

本文由河南大學特種功能材料教育部重點實驗室供稿，材料人編輯部編輯。

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