通讯作者：王雪、胡陈果 通讯单位：重庆大学物理学院 论文DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202201454 01 全文速览 本工作建立于电荷空间积累效应之上，进一步优化摩擦纳米发电机的输出性能。通过设计结合直流输出与交流输出，结合电压仿真模拟，实现了双模式多通道输出。在电荷空间积累效应的基础上再提升98%的输出性能。 02 背景介绍 随着物联网和智能社会的快速发展，传感器数量急剧上升，分布逐渐广阔。2012年以来，摩擦纳米发电机(TENG)快速发展，因其易于制作，重量轻，成低等诸多优势，已经在能量收集、传感器供电、无线传输等领域展现出了应用潜力。TENG收集能量为传感器供电可以避免传感器的废旧电池的污染和减轻电源维护的成本。为了能够使TENG可以为更多种类和更高耗能的传感器供电，TENG的能量输出需要不断提升。近年里，对于接触分离式的TENG的电荷输出经过诸如提升摩擦层介电常数、提升接触效率以及电荷激励等方法得到极大的提升。而对于滑动式TENG，不同于接触分离式TENG，其具有更好的应用场景和起电效率，但其在采用电荷激励等方式后其电荷输出提升不是很大，而采用电荷空间积累效应策略可以大大提升输出电荷密度。这一策略采用了电荷空间积累区，得益于该区域的电荷逸散，使得滑块可以具有较高的电荷密度，但是仍然存在能量浪费。 03 研究出发点 电荷空间积累效应能提升至少两倍的输出电荷，然而电荷空间积累区域的电荷不断的逸散至空气中，这一部分电荷没有得到利用而造成了浪费。捕获这部分电荷可以提升器件的能量转化效率。并且空间电荷积累效应可以产生几千上万伏特的电压，因此可以利用静电放电和空气击穿对电荷进行捕获。本文基于电荷空间积累效应和空气击穿，设计了一种同时具有直流和交流输出的多通道输出TENG，提升了98%的输出电荷。平均功率密度达到5.74 W m-2，达到目前双模式输出的最大平均功率密度。 04 图文解析 ▲Figure 1. Structure and mechanism of double output mode TENG. a) 3D structure diagram of DOM-TENG. b) Photographs of the device. I) Top view of the stator, II) slider (effective area: 10 cm2), and III) the front view of electrostatic breakdown electrode and the enlarged image shows the reserved gap. Scale bar is 1 cm. c) Multichannel output and charge capture of DOM-TENG. d) Voltage simulation of DOM-TENG with a single bottom electrode. e) Output charge of DOM-TENG and CSA-TENG in 4 cycles. f) The characteristics of AC and DC output. g) The comparison of the average power density with the latest and most typical works. 图1中展示了我们设计的TENG的结构图和实物图。通过空气击穿捕获电荷空间积累区域本将逸散的电荷，通过静电击穿收集滑块上丰富的电荷，通过电荷空间积累效应产生交流电。 对所设计的TENG进行电压模拟可以发现，由于摩擦层较高的电场强度，在没有静电屏蔽的区域可以轻易的发生空气击穿。采用上述策略，在实验上，我们在不损失交流输出的基础上，提升了98%的电荷输出。使得TENG同时具有交流输出的高电流特性和直流输出的高效性。并获得了目前相对较高的平均输出功率密度。▲Figure 2. The impact of AC output on DC output. a) The output charge of AE (DC output part). b) The short-circuit current of AE. DC output shows the characteristics of AC output due to the change of sliding direction. c) Output charge of BE (AC output part). d) A schematic diagram of the distribution of three electrodes (AE, BE, GE) of DOM-TENG. e) Output charge of the right AE when DOM-TENG with different width of BE. f) Output charge of the right AE when BE in different positions. g) Output charge of right AE with or without GE. h) The charge of AE and BE with different width of GE (width of slider: 4 cm). i) The charge of AE and BE with different width of the slider (the ratio of the width of GE to slider is 0.53). 对于同时具有交流输出和直流输出这两种不同输出特性的TENG，研究这两种输出模式之间的相互影响是非常有必要的。如图2所示，我们可以看到，直流输出在一个往复周期内的电荷和电流展现出交流输出信号的波形，这是由其运动方向的改变造成的，在相同运动方向，其输出只会呈现出正向或者负向的直流波形。这里，正向直流源于AE与PTFE之间的静电击穿，负向源于AE与电荷空间积累区域之间的空气击穿。正是这些放电行为，使得AE可以有效的捕获本将耗散掉的电荷。并且在这个过程中，可以不影响底部交流电荷的输出。我们还对底部电极的宽度，位置和屏蔽电极的作用和参数进行了研究。▲Figure 3. Multichannel output of DOM-TENG. The charge of AE and BE vary with a) the sliding distance and b) the length of AE. c) Output charge of AE with different tribolayers of the slider. d) The charge of AE and BE when the gap between AE and nylon increase from 0.1 to 1.8 mm. e) Charge of AE located at different positions of the slider (front, back, left and right side of slider). f) Charge of the right AE when the GE is located at different positions of the slider. g–i) Output charge of the right and left AE, BE and the coupling of AE and BE output charge after rectification, respectively. There are double BE on the stator. 既然AE负责电荷捕获，那么为了获得最优的电荷输出，研究AE的参数也是必要的。我们对AE扫过的面积，长度以及放电击穿对应的摩擦层进行了探究，其实验结果和我们文中前期分析一致。由于结合了电荷空间积累效应，摩擦层表面电场强度较高，因此，AE与摩擦层之间的间隙在2mm内都不影响输出。因其具有多个直流输出和交流输出通道，我们还对其输出的耦合情况进行了测试。可以发现，直流和交流输出很好的叠加在一起，使得整个输出成倍提升。▲Figure 4. Output performance and practical applications of rotary DOM-TENG. a) A 3D structural perspective of rotary DOM-TENG. b) Photographs of the stator and rotator. The scale bar is 2 cm. c) Output charge of the right AE at different rotating speeds. d) Total output charge of rotary DOM-TENG at different rotating speeds with different electrode pairs in 10 cycles. e) Power density of rotary DOM-TENG at 1 Hz working speed. f) Voltage curve of charging 10 µF capacitor at 10, 30, and 60 rpm in 10 cycles. g) Lighting of 384 big color LEDs with 10 mm diameter. h) A bluetooth hygrothermograph and a wireless light sensor are powered by rotary DOM-TENG with the power management circuit at 30 rpm. i) An electronic writing pad was powered at 45 rpm by charging a 6.5 mF capacitor. 很多能量诸如风能水能等机械能很容易转化成为转动运动。因此我们设计了转动式TENG进行应用展示。具有10个电极的转动式TENG在10 RPM的转速下转动10圈既可产生438 μC的电荷量。我们使用该器件直接点亮384个大LED灯珠，为并联的局域网光照传感器和蓝牙温湿度计供电，以及为一个电子手写板进行供电。 05 总结与展望 本工作着重于提升电荷输出，提高能量转化效率。本文系统的研究了交流输出对直流输出的影响。揭示了电压边缘效应和电荷屏蔽效应对直流输出的利害关系。并在最后做了应用展示。成功的为多种电子器件供能。文章细节请参考原文。 原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201454
目前评论：0