河南大學程綱和杜祖亮Nano Energy：集成同步觸發機械開關的旋轉式脈沖摩擦電納米發電機用于高效自供電系統

【引言】

最近，物聯網（IoT）的發展使人類與世界緊密聯系。物聯網的發展需要數十億的傳感器，這些傳感器需要合適且可持續的電源供電。盡管電池是一種選擇，但必須經常更換。另外，電池回收不當可能會導致環境污染。通過收集環境中的機械能并將其轉化為電能，摩擦電納米發電機（TENG）被用于開發自驅動傳感器和自驅動電子系統。TENG的工作機制是接觸帶電和靜電感應效應的耦合。TENG的理論基礎可以追溯到麥克斯韋方程中的位移電流。傳統的TENG具有高的開路電壓（Voc），低的短路電流（Isc）和交流電（AC）輸出。因此，為了給電子設備供電，需要合適的電源管理電路（PMC）將TENG的輸出轉換成具有穩定的低電壓和高電流的形式。但是，傳統的TENG具有極高的內部等效阻抗，范圍從1到100 MΩ，大大高于PMC的等效阻抗（小于1 kΩ）。因此，由于TENG和PMC之間的嚴重阻抗不匹配，因此TENG的大部分輸出能量無法轉移到PMC中。

【成果簡介】

在這項研究中，河南大學程綱和杜祖亮教授團隊開發了基于集成在摩擦層上的同步觸發機械開關（STMS）的轉動獨立摩擦層模式的脈沖TENG（RF-Pulsed-TENG）。STMS通過印刷電路板（PCB）工藝一步制備。通過合理的設計，可以實現交流電（AC）和單向電流（UDC）的RF-Pulsed-TENG。開關的觸點數量可以根據TENG柵格的數量進行調整。STMS的開關狀態可以與RF-Pulsed-TENG的旋轉頻率很好地匹配。不管轉速或負載電阻如何，RF-Pulsed-TENG的輸出電壓和能量都可以保持最大化。AC和UDC?RF-Pulsed-TENG對應的PMC的儲能效率分別可以達到51.6％和52.0％。結合了齒輪箱和高效的無源PMC，RF-Pulsed-TENG在收集和存儲機械能方面具有顯著優勢。由變速箱，RF-Pulsed-TENG和無源PMC組成的系統可以為一系列電子設備供電，展示了在自供電傳感器和物聯網中的應用前景。該成果以題為“Rotational pulsed triboelectric nanogenerators integrated with synchronously triggered mechanical switches for high efficiency self-powered systems”發表在Nano?Energy上。

【圖文導讀】

圖1.常規轉動獨立摩擦層式摩擦納米發電機（RF-TENG），交流電（AC）和單向電流（UDC）轉動獨立摩擦層式脈沖摩擦納米發電機（RF-Pulsed-TENGs）的結構

（a）RF-TENG的結構和材料圖 （b）RF-TENG的摩擦層正面的頂視圖 （c）背面的頂視圖

圖2.RF-TENG的工作原理

（a）常規RF-TENG的工作原理 （b）AC RF-Pulsed-TENG的工作原理 （c）UDC RF-Pulsed-TENG的工作原理

圖3.不同轉速下RF-TENG的輸出性能

圖4.不同負載電阻下RF-TENG的輸出性能

（a）不同負載電阻下傳統RF-TENG的輸出電流峰值，電壓峰值和功率峰值 （b）在不同負載電阻下AC?RF-Pulsed-TENG的輸出電流峰值，電壓峰值和功率峰值 （c）在不同負載電阻下，UDC RF-Pulsed-TENG的輸出電流峰值，電壓峰值和功率峰值 （d）不同負載電阻下的傳統RF-TENG以及AC和UDC RF-Pulsed-TENG的輸出能量

圖5.RF-Pulsed-TENG的電源管理

（a-b）UDC RF-Pulsed-TENG的無源PMC的示意圖和工作過程 （c）在不同轉速下由UDC RF-Pulsed-TENG充電的電容器C₂的測量電壓曲線 （d）在240 Hz的工作頻率下，有和沒有無源PMC時UDC RF-Pulsed-TENG對電容器C₂充電的電壓曲線 （e）轉速為240 rpm時，UDC RF-Pulsed-TENG的輸出能量以及有和沒有無源PMC時對電容器C₂的存儲能量 （f）在240 rpm的工作頻率下，有和沒有無源PMC時對電容器C₂的儲能效率 （g-h）AC?RF-Pulsed-TENG的無源PMC的示意圖和工作過程 （i）在不同轉速下由AC RF-Pulsed-TENG對電容器C₂充電的電壓曲線 （j）有和沒有無源PMC時AC RF-Pulsed-TENG在240 rpm轉速下對電容器C₂的充電電壓曲線 （k）AC RF-Pulsed-TENG的輸出能量以及有無無源PMC在240 rpm轉速下對電容器C₂的存儲能量 （l）在240 rpm轉速下，有和沒有無源PMC時對電容器C₂的儲能效率

圖6.由變速箱，UDC RF-Pulsed-TENG和無源PMC組成的自驅動系統

（a）變速箱和UDC RF-Pulsed-TENG的示意圖 （b）變速箱的工作過程 （c）對于不同長度的拉線，在100 MΩ負載電阻下的UDC RF-Pulsed-TENG輸出電流 （d）RF-Pulsed-TENG的照片。 插圖是STMS觸點的放大照片 （e）由帶和不帶無源PMC的UDC RF-Pulsed-TENG充電的10 μF電容器的測量電壓曲線 （f）驅動電子表時UDC Pulsed-RF-TENG的無源PMC中電容器C₂的電壓曲線 （g-i）步行拉動齒輪箱，由UDC RF-Pulsed-TENG和無源PMC驅動的計算器和溫濕度計

【小結】

憑借內部等效電阻為零和最大輸出能量的優點，脈沖式摩擦電納米發電機（Pulsed-TENG）可以實現與電源管理電路（PMC）的阻抗匹配，在自供電系統中顯示出廣闊的應用前景。開發Pulsed-TENG的關鍵在于設計同步觸發機械開關（STMS）。但是，由于制造合理的STMS的困難，可以高效收集機械能的轉動式TENG很少被設計成脈沖式。本文中，通過印刷電路板工藝將STMS集成在金屬摩擦層上一步實現了轉動獨立摩擦層式脈沖TENG（RF-Pulsed-TENG）。由于STMS的通斷狀態可以很好地與旋轉頻率匹配，因此，無論旋轉頻率或負載電阻如何，RF-Pulsed-TENG的輸出電壓和能量都可以保持最大化。實現了AC和UDC輸出的RF-Pulsed-TENG，其相應的無源PMC的儲能效率分別可以達到51.6％和52.0％。由變速箱，無源PMC和RF-Pulsed-TENG組成的系統可為一系列電子設備供電，例如計算器，電子表和溫度/濕度計，在高效機械能量收集和自驅動傳感系統方面具有明顯的優勢和廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Rotational pulsed triboelectric nanogenerators integrated with synchronously triggered mechanical switches for high efficiency self-powered systems, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105725

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。

程綱，男，1978年1月生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省中原千人計劃科技創新領軍人才，河南省高校科技創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人，河南省物理學會常務理事。2000年獲得河南大學物理學專業學士學位，2003年獲得河南大學凝聚態物理學專業碩士學位，2008年獲得吉林大學凝聚態物理專業博士學位。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年在美國佐治亞理工學院做訪問學者。

多年來主要從事一維納米結構光電器件的研究，在納米結構的構筑、表界面光電特性表征以及光電納米器件方面開展了較為系統的研究工作，重點研發了肖特基勢壘納米光電器件、摩擦納米發電機、自驅動納米光電器件等新型器件。在ACS Nano、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Energy、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文60余篇。主持國家自然科學基金4項，主持省部級課題3項，獲得河南省科技進步二等獎2項，授權國家發明專利14項。目前，程綱教授團隊有青年教師7人，在讀博士研究生6人，碩士研究生18人。