中科院北京納米所王中林團隊Adv. Energy Mater.：長壽命和低波峰比摩擦電納米發電機

【引言】

摩擦電納米發電機（TENG）作為一種將低頻機械能轉化為電能的獨特革命性技術，以其峰值功率密度高、重量輕、設計簡單、環境友好、材料選擇多樣等優勢受到了人們的廣泛關注。這些獨特優點顯示了TENG的巨大應用前景，作為一種新型的分布式能量收集器件，它可以補償超級電容器/電池的能耗，并直接驅動小型電子設備。在實用中為了提供較大的電流作為能量供應源，需要將TENG并聯來增加輸出總功率。但是在多個TENG并聯時，除非所有的輸出信號都能保持相位同步，否則不可避免地會因各單元之間的相位差差異從而相互抵消，造成巨大的能量損耗。因此，迫切需要在不造成不必要的能量損耗的前提下，有效地使TENG并網發電。另一方面，TENG的輸出通常為短時間的脈沖電流，其有效電流遠低于峰值，因此波峰比很高。而作為直接驅動小型電子設備或電池/超級電容器的能量供應源，TENG的高波峰比會影響器件的工作壽命和儲能效率。一般來說通過提高TENG的工作頻率可以降低其輸出波峰比，但是，對于頻率通常低于5 Hz的生物機械能和藍色能源，無法通過提高頻率的方法來降低其波峰比。利用旋轉滑動摩擦模式的TENG可以通過疊加不同位移相位下的輸出信號進而減小波峰比，但是由于該模式下電極和摩擦層在相對滑動摩擦時會產生大量熱量，加劇材料的摩擦損耗，極大地限制了TENG的工作壽命和商業化應用。因此，迫切需要同時解決TENG旋轉結構的并聯能量損耗、輸出波峰比高、壽命短的問題。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和王杰研究員（共同通訊作者）團隊，為了解決并聯TENG中的能量損耗的問題，報道了并聯結構的整流TENG。整流的TENG之間是具有相位差的旋轉接觸-分離結構，可解決高波峰比輸出問題，并同時延長旋轉TENG的使用壽命。在多整流器并聯多個TENG（MRM-TENG）中，電流波峰比顯著降低至1.31，而簡單并聯的TENG的電流波峰比高于6。同時，在1000小時的2.00 r?s^-1下旋轉7?200 000次之后，輸出電流可保持高達93%的初始性能。這項工作為TENG的實用化提供一種新的策略，可同時實現低波峰比輸出和長期循環穩定發電，用于大規模電力應用的分布式能源收集。該成果以題為“Long-Lifetime Triboelectric Nanogenerator Operated in Conjunction Modes and Low Crest Factor”發表在了Adv. Energy Mater.上，中科院北京納米能源與系統研究所李昕螈博士生、尹星博士生和趙志浩博士后為論文共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 M-TENG、SRM-TENG和MRM-TENG的設計及其電學性能

a）M-TENG的示意圖及其詳細結構。

b）M-TENG中定子的尺寸和詳細實例（比例尺：100 nm）。

c,d）M-TENG的c）電路和d）電流輸出。

e,f）SRM-TENG的e）電路和f）電流輸出。

g,h）MRM-TENG的g）電路和h）電流輸出。

i,j)三種TENG的i）等效電流，j）波峰比因數和速度之間的關系。

圖2 SRM-TENG和MRM-TENG的工作機理

a）波峰比為5的TENG模擬信號。

b）模擬SRM-TENG和c）模擬無相位差MRM-TENG的相干波。

d）模擬SRM-TENG和e）模擬有規則相位差MRM-TENG的相干波。

f）模擬SRM-TENG和g）模擬有不同相位差MRM-TENG的波峰比和等效電流。

h）不同設備數量下的MRM-TENG的波峰比和等效電流。

i）不同波峰比下單個輸出信號的最佳相位差和最小器件數。

圖3 MRM-TENG的性能優化

a-c）MRM-TENG中a）電極尺寸，b）電極與推桿之間的距離，c）推桿的數量的示意圖。

d-i）MRM-TENG在不同參數下的等效電流性能：d）寬度，其中L=10 cm，D=2 cm，N=4，e）長度，其中W=2 cm，D=2 cm，N=4，f）電極與推桿之間的距離，其中L=10 cm，W=5 cm，N=4，g）推桿的數量，其中L=10 cm，W=5 cm，D=2 cm。

h）MRM-TENG的等效電流和i）波峰比受推桿距離和數量的影響，其中L=10 cm，W=5 cm。（速度為8.00 r s^-1）。

圖4 MRM-TENG的應用

a）MRM-TENG在收集風能中的示意圖及其應用。

b,d）MRM-TENG在不同轉速下的b）電流和d）電壓輸出。

c,e）MRM-TENG在2.00 r s^-1下長期穩定的c）電流和e）電壓輸出。

f,g）在不同速度和負載下，MRM-TENG的f）平均功率和g）等效電流。

h）在不同設備編號下，MRM-TENG的等效電流和波峰比。

i）MRM-TENG在實際應用中的示意圖。

【小結】

綜上所述，此工作解決了簡單并聯中TENG的能量損耗、TENG固有的高波峰比因子輸出、基于旋轉結構的TENG使用壽命短的問題。具體而言，并聯的整流TENG可防止不必要的能量損耗；多個整流TENG之間的相位差可解決高波峰比輸出問題；旋轉接觸分離模式為長期穩定工作提供了一種有力的方法。因此，可以同時獲得低波峰比和長期穩定性輸出，而不會造成不必要的能量損耗。當前結構可以使TENG輸出信號的波峰比顯著降低至1.31。通過使MRM-TENG并聯用于分布式能源供應而無電損耗，等效電流可以以低波峰比線性增長。在1000 h的2.00 r s^-1下旋轉7 200 000次后，效率可以保持其初始性能的93％。這項工作為TENG提供一個新的設計策略，可在分布式能量收集中實現低波峰比和長期穩定發電。

文獻鏈接：Long-Lifetime Triboelectric Nanogenerator Operated in Conjunction Modes and Low Crest Factor（Adv. Energy Mater.， 2020，DOI:10.1002/aenm.201903024）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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