河南大學程綱團隊Nano Energy：摩擦納米發電機的非接地電壓測量法

引言：

摩擦納米發電機(TENG)作為一種全新的機械能收集技術，可以從周圍環境中收集各種形式的機械能，包括人體運動，機械振動，輪胎旋轉，水滴/水流，風能等，并將其直接轉化為電能。TENG的工作機理是接觸起電和靜電感應效應的耦合，其原理可以追溯到麥克斯韋位移電流。TENG具有重量輕，結構簡單，成本低，低頻下能量轉換效率高等優勢。目前已經開發出不同工作模式的TENG，例如垂直接觸-分離模式，水平滑動模式，單電極模式和獨立層模式。TENG已經在微納能源、自驅動傳感器、藍色能源和高壓電源等領域取得了重大進展。測量TENG的電壓，包括開路電壓(V_oc)和輸出電壓，對于評估TENG的性能非常重要。然而，在傳統的測量方法中，由于TENG的一個電極接地，該電極上的電荷會轉移到大地，導致測量得到的電壓值小于真實值。因此，需要開發測量TENG真實電壓值的方法，以準確地評估TENG的性能。

成果簡介：

近期，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授課題組的研究成果“Measuring the Actual Voltage of a Triboelectric Nanogenerator Using the Non-grounded Method”在國際著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一區)上發表。在本工作中，使TENG的兩個電極都不與大地連接，提出了TENG的非接地電壓測量方法，并開發出三種具體的測量模式。根據開路電壓(V_oc)和輸出電壓的測量結果，對于滑動模式和垂直接觸-分離模式TENG，非接地方法與接地方法的電壓比分別約為2.0和1.5。使用有限元方法(FEM)模擬計算了三種模式TENG的非接地電壓和接地電壓，這些電壓與測量結果一致。此外，還計算了非接地-接地電壓比與TENG的參數之間的關系，這為通過接地方法得到的結果來估算實際電壓提供了一種簡單的方法。此外，非接地方法已應用于TENG誘導的等離子體中，證明了其測量TENG實際輸出電壓的能力。本文提出的非接地測量方法可以測量TENG的實際電壓，這對于準確評估TENG的性能具有重要意義。碩士研究生張文河和顧廣欽博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

圖1 以水平滑動獨立層模式TENG為例，演示傳統的接地法測量TENG的V_oc中存在電極與大地之間的電荷轉移。(a)?在理想情況下測量V_oc的等效電路。(b)?通過接地法測量V_oc的等效電路。(c)?在接地法測量TENG的V_oc的過程中測量電極-大地之間轉移電荷的等效電路，以及測量的轉移電荷量。(d)?測量TENG的總轉移電荷的等效電路以及測量結果。

圖2 三種非接地法用來測量TENG的真實V_oc以及對應的接地測量方法。這里，以水平滑動獨立層模式TENG為例。直接用一臺6514系統靜電計測量TENG的V_oc的等效電路(a)，兩臺6514系統靜電計串聯（接地端連接在一起）測量TENG的V_oc的等效電路(b)，以及測量結果(c)。一個電流表和一個電阻串聯(d)，兩個電流表和兩個電阻串聯(e)測量TENG的V_oc和輸出電壓的等效電路，以及測量結果(f)。一個電流表和一個電阻串聯(g)，一個電流表和兩個電阻串聯(h)測量TENG的V_oc和輸出電壓的等效電路，以及測量結果(i)。

圖3 比較另外兩種基本工作模式（垂直接觸-分離模式和水平滑動模式）TENG的電極-大地轉移電荷量和總電荷量，以及接地法（參考圖2a）和非接地法（參考圖2b）測量得到的V_oc。Cu-PTFE垂直接觸-分離模式TENG的等效電路(a)，電極-大地轉移電荷量和總電荷量的對比(b)，以及V_oc的對比(c)。Nylon-PTFE垂直接觸-分離模式TENG的等效電路(d)，電極-大地轉移電荷量和總電荷量的對比(e)，以及V_oc的對比(f)。Cu-PTFE水平滑動模式TENG的等效電路(g)，電極-大地轉移電荷量和總電荷量的對比(h)，以及V_oc的對比(i)。Nylon-PTFE水平滑動模式TENG的等效電路(j)，電極-大地轉移電荷量和總電荷量的對比(k)，以及V_oc的對比(l)。

圖4 非接地和接地情況下三種模式TENG的V_oc的三維模型有限元計算結果。非接地(a)和接地情況下(b)水平滑動獨立層模式TENG的電勢分布。(c) 非接地和接地情況下，水平滑動獨立層模式TENG在不同的x/d下的V_oc。(d) 非接地和接地情況下，水平滑動獨立層模式TENG在不同的x/d下的V_oc的比值。(e) 非接地和接地情況下，Cu-PTFE垂直接觸-分離模式TENG在不同的d/x下的V_oc的比值。(f) 非接地和接地情況下，Nylon-PTFE垂直接觸-分離模式TENG在不同的d/x下的V_oc的比值。

圖5 通過TENG誘導的微等離子體實驗演示用于測量TENG實際輸出電壓的非接地測量方法。非接地測量方法的等效電路(a)，產生的微等離子體照片(b)，測量TENG的實際輸出電壓(c)。接地測量方法的等效電路(a)，微等離子體消失的照片(b)，測量TENG的輸出電壓(c)。

文章鏈接：Measuring the Actual Voltage of a Triboelectric Nanogenerator Using the Non-grounded Method.

網址鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105108?

本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的經費支持。

作者簡介

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，河南省中原千人科技創新領軍人才，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年起至今，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，從事納米結構與自驅動光電器件的研究。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50余篇。主持國家自然科學基金4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

本文由河南大學程綱教授課題組投稿。