河南大學程綱團隊Nano Energy：摩擦納米發電機電壓測量的電荷補償校準方法

引言：

物聯網（IoT）、人工智能、大數據等的發展需要各種各樣的傳感器，這些傳感器具有數量巨大、分布廣泛、無線可移動等特點，為其提供穩定可靠的電能成為亟待解決的問題。開發可以從環境中收集能量并轉化為電能的新技術是一種可行的解決方案。2012年，王中林教授發明了摩擦納米發電機（TENG），可以從周圍的環境中收集各種形式的機械能，如風能，水流，機械振動和人體運動等并高效地轉化為電能。TENG具有結構簡單、成本低、材料來源廣泛、低頻下能量轉換效率高等優勢。TENG的工作原理是接觸起電和靜電感應效應的耦合。當兩個摩擦層相接觸時，由于接觸起電效應，它們的表面會產生等量異號的摩擦電荷。當兩種摩擦層在機械力的作用下分離時，將通過靜電感應效應在摩擦層背面的電極上產生電勢差。在短路狀態，電勢差將驅動電荷在兩個電極之間流動，直到電勢差降為零。但是，在理想的開路狀態，兩個電極上都不應該發生電荷轉移。如果在測量電壓的過程中，電極上發生了電荷轉移，將會使測量的電壓值低于實際的電壓值。因此，避免電極發生電荷轉移，是準確測量電壓（開路電壓和輸出電壓）的關鍵。

研究發現，有兩種因素會在電壓測量過程中造成電極上發生電荷轉移。第一個因素是測量儀器（無論是電壓表還是電流表）的接地端。除單電極模式的TENG外，TENG的一個電極與接地端直接連接，這使得電極和大地之間發生電荷轉移，造成測量的電壓值小于真實值。針對該問題，在之前的工作中，我們提出了非接地的電壓測量方法，解決了電表的接地端所帶來的電荷轉移的問題。第二個因素是電壓表的內部電容。內部電容的存在，造成TENG的電極和電容之間發生電荷轉移，這會導致電壓表測量的電壓值小于真實值。因此，需要發展一種普適的策略對電壓表測量的電壓值進行精確的校準。

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“A general charge compensation strategy for calibrating the voltage of a triboelectric nanogenerator measured by a capacitive circuit”在國際著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一區)上發表。在本工作中，在對電容性測量電路進行分析的基礎上，提出了一種通用的電荷補償策略來校準TENG的測量電壓。提出了固定電容反推法和變化電容擬合法兩種方法來校準TENG的開路電壓（V_oc），并分別給出了校準后V_oc的公式。首先，以水平滑動獨立摩擦層模式TENG為例，用兩種方法計算了校準后的V_oc，其結果均與利用電流表測量（非電容性測量電路）的V_oc相一致，驗證了兩種校準方法的正確性。對于TENG的其他三種工作模式，利用固定電容反推法對測量的V_oc進行了校準，驗證了該方法的普適性。最后，通過計算包含了電容的等效阻抗，對TENG輸出電壓隨負載阻抗的變化關系進行了校準。本文提出了電荷補償的策略來校準電壓表所測量的TENG的V_oc和輸出電壓，這對于TENG綜合性能評估體系的建立具有重要的理論意義和應用價值。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.?以水平滑動獨立摩擦層模式TENG為例，展示V_oc的非接地電壓表測量法中電壓表的內部等效電容C_v對感應電荷造成的影響。（a）理想情況下V_oc的非接地電壓表測量法的等效電路，電壓表等效于開路。（b）實際情況下V_oc的非接地電壓表測量法的等效電路，電壓表存在C_v，感應電荷會轉移到電壓表的C_v中。

圖2.?以水平滑動獨立摩擦層模式TENG為例，對比用校準公式計算V_oc和非接地電流表測量法測量的V_oc。（a）非接地電壓表法測量V_oc的等效電路，以及（b）測量結果。（c）測量Q_sc的等效電路，以及（d）測量結果。（e）非接地電流表測量法測量V_oc的等效電路，以及（f）測量結果。（g）對比用固定電容反推法得到的公式計算V_oc和非接地電流表測量法得到的V_oc的波形。（h）變化電容擬合法計算V_oc的等效電路，以及（i）擬合直線得到的V_oc。

圖3.?另外三種基本工作模式TENG，對比按照公式計算V_oc和非接地電流表測量法測量的V_oc。水平滑動模式TENG的（a）等效電路，（b）非接地電壓表測量法測量的V_oc，（c）Q_sc測量結果，（d）用固定電容反推法得到的公式計算的V_oc，（e）非接地電流表測量法測量的電流和電壓曲線。垂直接觸-分離模式TENG的（f）等效電路，（g）非接地電壓表測量法測量的V_oc，（h）Q_sc測量結果，（i）用固定電容反推法得到的公式計算的V_oc，（j）非接地電流表測量法測量的電流和電壓曲線。單電極模式TENG的（k）等效電路，（l）一個電壓表的測量結果，（m）Q_sc測量結果，（n）用固定電容反推法得到的公式計算的V_oc，（o）電流表串聯電阻測量的電流和電壓曲線。

圖4.?以水平滑動獨立摩擦層模式TENG為例，對比接地電壓表測量法和接地電流表測量法得到的輸出電壓，并校準接地電壓表測量法測量的輸出電壓值。接地電流表測量法（a）和實際情況下接地電壓表測量法（b）測量輸出電壓的等效電路，以及分別測量的輸出電壓（c）。（d）對比不同的電阻下，等效阻抗與電阻的大小關系。（e）對比在不同的工作頻率f下，電壓表的C_v并聯電阻得到的等效阻抗。（f）展示在等效阻抗下，接地電壓表測量法和接地電流表測量法得到的輸出電壓曲線基本吻合。

文章鏈接：A general charge compensation strategy for calibrating the voltage of a triboelectric nanogenerator measured by a capacitive circuit

網址鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106056

本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳、中國博士后科學基金會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

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