高功率旋轉電荷泵浦摩擦納米發電機

摩擦納米發電機(Triboelectric nanogenerator, TENG)通過摩擦起電和靜電感應可將環境中機械能有效轉化為電能,基於此發展的微納能源、自驅動系統以及藍色能源等技術將為物聯網、可植入器件、可穿戴設備、海洋開發等重要新興領域提供能源技術基礎。現階段摩擦納米發電機進一步走向實際應用受到兩個方面的制約:一是摩擦所產生的表面電荷密度較低,使得器件的輸出性能還不能滿足很多實際應用的需求;二是摩擦界面處的材料磨損和發熱會影響器件的耐久性,尤其是對旋轉式和滑動式摩擦納米發電機,這一問題更為突出。

2018年報道的電荷泵浦策略和電荷自泵浦摩擦納米發電機(Nano Energy,2018,49,625)為解決這些問題提出瞭重要的思路,即通過浮置導電層來約束電荷,並通過泵浦發電機實現向浮置層中註入電荷。在電磁發電機中,廣泛采用的電磁鐵通過電流激發磁場,與此類似,電荷泵浦策略采用註入束縛電荷來取代摩擦靜電荷而激發電場,浮置層中的束縛電荷密度理論上僅受限於介電擊穿強度。基於此策略,首次在大氣環境下將有效電荷密度提升到1mC/m2以上,達到1.02mC/m2,實現瞭重要突破。然而,該工作基於接觸分離式摩擦納米發電機,由於此模式固有的輸出性能局限性,器件平均輸出功率雖得到瞭增強,但仍未達到大功率應用的需求。需要研究在獨立層模式旋轉摩擦納米發電機等性能更好的器件中應用電荷泵浦策略,實現更高功率的輸出。

高功率旋轉電荷泵浦摩擦納米發電機

近日,中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊成功將電荷泵浦策略應用於旋轉式摩擦納米發電機(Rotary charge pumping triboelectric nanogenerator,RC-TENG)中,實現瞭低頻激勵下的高輸出性能。RC-TENG由主TENG和泵浦TENG兩部分構成,泵浦TENG為普通旋轉式TENG結構,主TENG主要包括存儲電極和輸出電極。兩部分通過一種新穎的同步旋轉結構連接,使得電荷可以高效可靠地從泵浦TENG註入到主TENG的存儲電極中。這些存儲電極中的約束電荷可產生類似於摩擦表面電荷的作用,在輸出電極中產生感應輸出。由於電荷可以不斷地註入存儲電極,使得其實現的電荷密度遠高於普通方法所能實現的摩擦電荷密度。同步旋轉結構的設計使得無需任何電刷即可實現上述功能,增強瞭器件的可靠性。單個器件即可達到4.5μC的轉移電荷量,電荷密度約為對照的普通旋轉TENG的9倍,2Hz的低頻驅動下最大平均功率和平均功率密度分別可達到78mW和1.66kW/m3,是對照的普通TENG的15倍以上,同時具有小於1s的超快輸出飽和速度。此外,該結構的高擴展性可以實現泵浦TENG對多個主TENG的同時激勵。當集成4個主TENG時,2Hz低頻驅動下可達到658mW的最大峰值功率和225mW的最大平均功率。該結構設計也可有效應用到滑動式TENG中。另外,對於普通結構的旋轉式TENG,提高電荷密度往往需要更加強烈的摩擦,這會導致材料磨損和發熱問題。電荷泵浦策略解耦瞭電荷密度和摩擦強度之間的關聯,使得在低摩擦情況下也能產生高電荷密度,並可以在界面處通過添加潤滑劑來抑制磨損。基於電荷泵浦策略的旋轉式TENG將進一步推動解決TENG的功率輸出及耐久性瓶頸問題,促進高功率TENG在藍色能源等領域的實際應用。相關成果以“Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators”為題發表在瞭Advanced Energy Materials上。

高功率旋轉電荷泵浦摩擦納米發電機
圖1 高功率旋轉電荷泵浦摩擦納米發電機。(a)器件的基本結構爆炸視圖;(b)器件的電極結構和電路連接示意圖;(c)一對泵浦TENG驅動四個主TENG的典型輸出短路電流和轉移電荷量;(d)一對泵浦TENG驅動四個主TENG的功率輸出,驅動頻率2Hz;(e)器件在低頻驅動下輸出的電能可點亮一組燈。

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000605

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