電子科大張曉升教授團隊Nano Energy：基于周期性側向懸臂梁的單向電流摩擦電納米發電機

【引言】

環境能量收集是一種能有效解決微系統供電需求的方法，例如可以為構建物聯網的數萬億傳感器提供供電方案。近年來，學者們基于壓電、光電、電磁和熱電效應等不同的工作機理，開發了多種環境能量收集技術。而摩擦電納米發電機（TENG）作為一種新興的環境能量收集技術，不僅能夠獲取多種形式的環境能量，而且具有可持續性等優異特性。TENG由摩擦起電效應在摩擦界面上產生電荷與靜電感應誘導電荷經過電極轉移共同作用而實現發電。隨著人們對TENG潛在應用的深入的研究，自供電傳感器、自驅動執行器、一體式自供電微系統等諸多基于TENG的設備和系統已經得到了展示?(Nano Energy, 47, 410, 2018;?64, 103911, 2019; 66, 104123, 2019)。然而TENG固有的交流正負脈沖輸出特性卻極大地限制了其實際應用。雖然TENG有接觸分離式、相對滑動式、單電極式、獨立式等四種不同的模式，但它們都表現出由電極間感應電荷的流入和流出所產生的交流特性。這種正負交變脈沖的電流波形對于構建自供電的傳感器和驅動器是非常有用的，但卻無法直接為需要直流電的電子器件供電。為了將這種交流脈沖電轉換為直流電，研究人員已經開發出了多種電源管理技術，其中整流電路是實現單向電流轉換的根本。但整流電路所帶來的功耗對TENG的輸出性能有一定的影響，會導致其供電能力的下降。此外，由于整流電路的存在，導致集成難度增大，從而限制了其潛在應用；通過集成微納能源器件，以實現一體式自供電微系統的美好愿景將被削弱。

【成果簡介】

近日，在電子科技大學張曉升教授團隊基于周期性側向懸臂梁的創新設計，提出了一種新型的單向電流摩擦電納米發電機（UC-TENG）。該工作借助特殊設計的導電網絡和側向懸臂梁的組合，將電荷的運動控制在單一方向上，從而形成單向電流。通過仿真和測試系統研究了所提出的UC-TENG的工作機理，證明了該設計的輸出波形具有均勻穩定的單向特性。其最大開路電壓、短路電流和功率密度分別達到300 V、1.4 mA和15.68 mW/m²。此外，所制備UC-TENG還成功地應用于電容器和低功耗電子設備直接、連續供電。這種基于側向懸臂梁的新型UC-TENG去除了整流器電路，從而簡化了傳統TENG的電源管理電路；通過提高自供電微系統的集成度，極大地拓寬了TENG的吸引力。該成果以題為“Unidirectional-current triboelectric nanogenerator based on periodical lateral-cantilevers”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1?UC-TENG的結構示意圖

（a）UC-TENG的結構圖。

（b）UC-TENG定子上兩個導電框架的結構圖。

（c）UC-TENG組合后的圖片。

圖2 UC-TENG的工作原理圖

（a）UC-TENG的工作原理圖。

（b）UC-TENG的器件結構示意圖。

圖3 UC-TENG的工作過程和仿真結果

（a）UC-TENG的工作過程圖。

（b）UC-TENG的仿真結果。

圖4 UC-TENG的實物照片

（a）UC-TENG的正視圖。

（b）定子的俯視圖。

（c）定子的底視圖。

（d）轉子的俯視圖。

圖5 UC-TENG的電輸出性能

（a,b）UC-TENG輸出電壓波形。

（c,d）UC-TENG輸出電流波形。

圖6?UC-TENG的供電能力測量

（a）UC-TENG的外加電阻的輸出電壓與電流。

（b）UC-TENG的外加電阻的輸出功率。

（c）UC-TENG直接給電容充電的電路圖。

（d）UC-TENG為在不同轉速下直接、連續的為1?μF電容器充電的電壓曲線。

圖7?UC-TENG在氣流能量收集中的應用

（a-b）UC-TENG獲取風能的裝置照片。

（c-f） UC-TENG收集兩個相反方向的風能的而產生正（c,d）負（e,f）單向電。

圖8?UC-TENG的實際應用演示

（a–c）UC-TENG成功驅動了溫度計來顯示環境溫度。

（d–f）UC-TENG為商用計算器供電。

（g,h） UC-TENG的單向輸出特性演示。

【小結】

這項工作在周期性側向懸臂梁結構設計的基礎上，提出了一種新型的單向電流摩擦電動納米發電機，它可以將旋轉機械能轉化為能夠直接使用的單向電，而不需要任何整流電路。該工作使TENG應用中的電源管理電路得到簡化，同時可以減少整流模塊引起的功率損耗，提高功率傳輸效率。通過將印制電路板（PCB）工藝引入到UC-TENG中，使該器件具有高可靠性和低成本的前景。通過仿真和實驗，驗證了UC-TENG原理的可靠性。所制備的裝置可以直接為儲能單元充電，僅需7.38 s即可將一個1 μF的電容器充電到10μV，且裝置的最大功率為15.68? mW/m²。此外，該工作還證明了所制備的UC-TENG可以無需任何整流電路，直接驅動商用電子產品（如電子溫度計和小型計算器）。與傳統的TENG相比，UC-TENG通過簡化電源管理結構，增強了TENG的集成能力，形成一體化的自供電微系統，表現出了巨大的潛力，相信能夠推動TENG在實際應用中產生更重要的影響。

文獻鏈接：Unidirectional-current triboelectric nanogenerator based on periodical lateral-cantilevers（Nano Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104770）

本文由木文韜翻譯。

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