王中林院士Nano Energy：摩擦納米發電機高效率收集水下超聲波能

【引言】

浩瀚的大海蘊藏著取之不盡、用之不竭的可再生海洋能源。摩擦納米發電機由于具有低成本、工作原理簡單、環境友好和可規模化組裝等優點，特別是其具有優異的低頻振動能轉換能力，成為諸多新型海洋振動能源收集技術中重要的發展方向之一，得到了人們越來越多的關注和研究。盡管采用摩擦納米發電機將水中的振動能轉化為電能展現出良好的應用前景，但是目前對水中能源收集的摩擦納米發電機輸出電流值和輸出功率較小，特別是對水下聲波的收集，仍舊是目前研究的重難點之一。因此，怎樣有效地提高摩擦納米發電機輸出電流值和輸出功率以及有效地收集水下聲波能源的新型技術手段就成了當務之急。

【成果簡介】

近日，來自中國科學研究院北京納米能源與系統研究所、佐治亞理工學院的王中林院士（通訊作者）等人提出將摩擦層材料的宏觀設計與微觀機理相結合收集水下高頻超聲波振動能, 在透明的亞克力板上的小孔中填充自由運動的小球，當所設計的器件收集外界振動時，孔中自由的小球上下運動，與器件的上、下電極摩擦，電極上產生自由流動的感應電荷。該結構可以同時收集高、低頻率的振動能量，表現出優異的輸出電性能，其最大的峰值輸出電流可達到幾百毫安，最大的有效輸出電流可達到1.43mA，相對于已有文獻報道的數據，提升了2-3個數量級。該結構的器件無需體積較大的能量管理電路，就能夠持續不斷的驅動各種可穿戴電子設備和日常生活中照明燈，展現出良好的應用前景。相關研究成果以“High Efficient Harvesting of Underwater Ultrasonic Wave Energy by Triboelectric Nanogenerator”為題發表在2017年5月30日的Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 器件的設計和工作原理

（a）封裝的摩擦發電機及其內部結構實物圖。

（b）摩擦發電機的三維結構示意圖。

（c）摩擦發電機的工作原理。（c1）電子注入過程（左）和有限元模擬計算對應的電勢分布（右）。（c2）最初態摩擦電荷分布及其電流產生過程（左）和有限元模擬計算對應的電勢分布（右）。（c3）小球與上電極碰撞向下運動的過程（左）和有限元模擬計算對應的電勢分布（右）。（c4）小球向底部電極運動及其產生相反電流的過程（左）和有限元模擬計算對應的電勢分布（右）。

圖2 9孔填充7個直徑為3.3 mm小球的摩擦納米發電機（器件1）在超聲波功率為0.61, 0.98和?1.38 W/cm²頻率為80?kHz驅動下的輸出性能圖

（a-b）器件1的輸出電壓和輸出電流。

（c-d）不同外電阻下對應的輸出電壓及其對應的輸出功率。（d）中的插圖是圖（c-d）的等效電路圖。

（e-f）9孔填充12個直徑為2.38 mm小球的摩擦發電機（器件2）在超聲波頻率分別為80?kHz和100 kHz下的輸出功率。

圖3 在超聲波頻率為80?kHz下性能優化的摩擦發電機的電性能輸出

（a-c）器件3的電性能輸出。（a）器件3的輸出電壓和輸出電流。（b-c）不同外電阻下對應的輸出電壓和對應輸出功率。（d-f）器件4的電性能輸出。

（d）器件4的輸出電壓和輸出電流。

（e-f）器件4在不同外電阻下對應的輸出電壓和對應的輸出功率。

（g）器件2在不同超聲波功率下對應的輸出壓電和輸出電流。

（h）器件2不同外電阻下對應的輸出功率.?

（i）四個器件不同填充率和輸出功率關系。

圖4 收集水下超聲波能的摩擦發電機的應用

（a）?摩擦發電機應用的等效電路圖。

（b）不同超聲波頻率的下對電容進行充電曲線。摩擦發電機驅動溫濕度計（c）和電子表（d）的照片。

（e）摩擦發電機直接驅動健康監測儀的照片。

（f）摩擦發電機直接持續給12盞燈泡供電。（f1）摩擦發電機直接持續給12盞燈泡供電的照片.（f2）摩擦發電機直接持續給12盞燈泡供電的等效電路圖。

【小結】

本文利用摩擦納米發電機的優點，收集水下高頻超聲波，從而提高了摩擦納米發電機的輸出電流和輸出功率。對器件的相關參數進行了優化，同時對器件的機理進行了解釋。本文的摩擦納米發電機可以應用于淺水和深水中，因為該器件完全封裝，并且硬質的結構可以承受水中的壓力。該納米發電機為收集水下能提供了一種簡單高效的新穎方法。

感謝王中林老師和奚伊博士對本文的支持！

原文鏈接：High Efficient Harvesting of Underwater Ultrasonic Wave Energy by Triboelectric Nanogenerator（Nano Energy，2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.04.053. ）

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