重慶大學胡陳果團隊Nat. Commun.：用于微機械能采集的高性能浮動自激滑動摩擦納米發電機

【引言】

在能源方面，城市不僅需要核能、水電等集中能源，還可以收集分布式能源，如人體運動、微風、振動等，為個人/小型設備提供動力。此外，分布式能源的廣泛應用場景也引起了全世界的關注。基于摩擦起電和靜電感應的耦合效應，摩擦納米發電機（TENG）已被證明是一種更有效的能量收集策略，與電磁發電機或壓電發電機相比，用于低頻環境分布式能源（在<5Hz的工作頻率下，比TENG小5~100倍）。隨著工作模式和性能的改進，TENG具有成本低、結構簡單、材料多樣、柔性和適應性強等突出優點，有可能被用于生物傳感、人工智能、高壓應用和藍色能源等方面。一般來說，接觸摩擦會造成界面的熱損耗和磨損，而非接觸的平面運動可以避免這些缺點。因此，無界面接觸的浮動模式TENG具有很高的耐用性，由于摩擦損失為零，理論轉換效率接近100%，并且易于收集輕微的運動能量，在TENG的商業化進程中顯示出最大的潛力。眾所周知，表面電荷密度是提高TENG輸出的關鍵因素。然而，非接觸模式中原有電荷的快速衰減導致輸出非常小，從而限制了其應用。為了提高電荷密度，提出了化學改性、接觸改進、環境控制、電荷泵等多種方法，并實現了接觸分離TENG的電荷密度從100 μC m^?2提高到1020 μC m^?2。團隊提出的有效電荷激發策略將接觸分離TENG的電荷密度在空氣環境中提高到1.25 mC m^-2，并通過量化電荷激發下的接觸狀態進一步達到2.38 mC m^-2。最近，通過利用電荷空間積累效應的巧妙設計，使滑動TENG（S-TENG）達到了1.68 mC m^-2的電荷密度，并通過直接摩擦起電和空氣擊穿釋放電荷來增加微電極單元數，實現了5.4 mC m^-2的超高電荷密度，達到了一個新的里程碑。然而，通常需要一個大的驅動力來驅動滑動TENG，伴隨著大的和不可避免的界面摩擦，或者實現接觸分離TENG的親密接觸。顯然，即使引入了界面液體潤滑劑，接觸式的S-TENG也不利于收集低速風能和波浪能。至于非接觸模式，旋轉式TENG通過內置牽引繩結構的離心力，自動將低速的接觸模式轉化為高速的非接觸式，通過這種方式，TENG增加了接觸模式下的電荷，以克服非接觸模式下的電荷衰減。此外，還提出了一種提高輸出功率的補充電荷方法，通過添加外部摩擦材料來提高摩擦層的電荷密度。然而，由于摩擦起電效應有限，電荷密度的提高只達到20?μC m^-2。盡管接觸式TENG的電荷密度和輸出功率有了明顯的提高，但迄今為止，非接觸式要提高其輸出電能仍是一個巨大的挑戰。因此，需要改進TENG，使其在較小的驅動力下同時實現耐用性和高輸出性能。

【成果簡介】

近日，在重慶大學胡陳果教授團隊等人帶領下，提出了一種具有高輸出性能和長期耐用性的浮動自激S-TENG（FSS-TENG），通過轉子和定子之間的自激放大，可用于高效采集各種小機械能。通過引入單向導通電壓倍增電路（VMC）并在非接觸旋轉器中增加一個激勵電極，FSS-TENG本身實現了電荷密度的快速指數式自增。為了實現最大的輸出電荷密度，從理論和實驗兩方面給出了非接觸TENG的擊穿模型。優化結構后，FSS-TENG在300rpm轉速下提供了1μC（71.53μC m^-2）的轉移電荷和34.68 mW的峰值功率，與無電荷激勵的浮動TENG（F-TENG）相比，分別增強了5.46倍和3.88倍。此外，FSS-TENG的最大輸出電荷密度在運行10萬次后略有增加，表現出超高的輸出穩定性。最后，通過使用風杯作為觸發器，驗證了FSS-TENG在3m s^?1低風速下通過采集風能點亮道路警示燈，并持續驅動一些小型電子產品。該工作為采集隨機環境能量、實現分布式能源供應提供了可靠的策略。該成果以題為“High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting”發表在了Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1 FSS-TENG的結構和工作原理

a）用于風能收集的FSS-TENG的場景圖。

b）旋轉FSS-TENG單元3D結構示意圖。

c）簡化的FSS-TENG工作原理圖。

d）電壓倍增電路（VMC）的輸入/輸出節點及方案。

e-h）電荷在周期性滑動循環期間的自激發過程。

i）四種工作模式下的動態輸出電荷曲線，顯示了FSS-TENG強大的輸出增強能力。

圖2 非接觸TENG的空氣擊穿模型及結構對平面FSS-TENG輸出的影響

a）非接觸TENG的等效物理模型。

b）電荷激發的非接觸TENG的實驗和理論最大電荷密度與間隙的關系圖。插圖是指測量方法。

c）無電荷激發的非接觸TENG的電荷密度與間隙的關系圖。插圖是指測量方法。

d）模擬電位差在10 μC m^-2處的電位分布。

e）平面FSS-TENG的3D示意圖。

f）設備的俯視圖和側視圖照片。每個電極和PTFE的面積為23.3 cm²。比例尺：2 cm。

g）電荷自激的動態輸出電荷積累過程。

h）上下電極之間的動態激勵電壓。

i）不同電極面積和空氣間隙的平面FSS-TENG的輸出電荷(0 mm間隙表示全接觸狀態)；Al電極表面附著25 μm Kapton膜，Cu電極表面無Kapton膜。

j）不同材料（FEP、PTFE和Kapton，氣隙為0.35 mm）的輸出電荷。g-j）驅動頻率為2?Hz。

圖3 旋轉FSS-TENG的性能

a）定子和轉子的設備照片。比例尺：2 cm。

b-d）分別在300 rpm下b）動態電荷，c）電流和d）電壓輸出。

e-g）不同轉速下的e）轉移電荷、f）電流和g）電壓。

h）在300 rpm時匹配阻抗和輸出功率。

i）在300 rpm時充電電容器的電壓曲線。

圖4 收集風能的耐久性和輸出性能

a）FSS-TENG和滑動TENG（S-TENG）的耐久性測試，運行10萬次。

b）FSS-TENG和c）S-TENG的轉子表面磨損，表明了FSS-TENG的超長期可靠性。(1) PTFE和(2)PA的SEM圖像。(3)旋轉部件設備磨損照片。(4)經穩定性測試后的PTFE厚度。

d）FSS-TENG采集風能的現場照片。

e-g）不同風速下FSS-TENG的e）轉移電荷、f）電流和g）電壓。

h）在7m s^?1風速下匹配阻抗和輸出功率。

i）電容器在7m s^?1風速下充電的電壓曲線。

圖5?展示FSS-TENG驅動裝置

a,b）FSS-TENG點亮912 LED的a）電路圖和b）真實照片。

c）以5 m s^?1的風速（所有燈的直徑為5 mm）直接驅動帶有348個LED的模擬道路警示燈。

d）帶有為電子設備供電的能源管理單元（EMU）的FSS-TENG電路圖。

e）用EMU在5m s^?1風速下對電容器充電的電壓曲線圖。

f）兩個溫濕儀在3m s^?1風速下與動車組并聯的電壓-時間曲線。

g）f中選定區域的詳細電壓曲線。

h）由FSS-TENG供電的溫度濕度計的真實照片。

【小結】

綜上所述，給出了非接觸式TENG的空氣擊穿模型，以實現其最大電荷密度。此外，FSS-TENG的設計實現了高功率輸出和高耐用性，以有效收集微機械能。利用VMC實現的自激使F-TENG轉移電荷在300 rpm轉速下，在5s內上升到1μC，表面電荷密度為71.5μC m^-2，是F-TENG的5.46倍，顯示了其強大的輸出。重要的是，經過10萬次的穩定性測試，FSS-TENG表現出卓越的耐久性，輸出性能沒有任何阻尼，設備也沒有任何磨損。此外，FSS-TENG可用于收集風能，并直接點亮912個LED，應用于道路警示燈。通過能量管理，FSS-TENG可以在3m/s的風速下為兩個平行的溫度濕度計持續供電。這項工作為解決未來微電網甚至大型電網的能源需求提供了一種有前景的策略。

文獻鏈接：High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting（Nat. Commun.，2021，DOI：10.1038/s41467-021-25047-y）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。