2021-09-16
 
訾云龙/王钻开联手《自然·通讯》:每平方米超过10兆瓦!摩擦电纳米发电机新纪录
2021年09月16日  

目前,由于严重依赖化石燃料,世界面临着前所未有的能源危机、全球变暖和环境污染的威胁。要优化世界能源消费结构,人们关注的是环境中蕴含的大量清洁和可再生能源,如水波、风、雨滴和生物力学运动。特别是随着最近物联网的出现,这些无处不在的环境机械能可能完美地为分布在世界各地的众多传感器提供能源中国化工网okmart.com。自2012年提出以来,基于摩擦带电和静电感应耦合的摩擦电纳米发电机(TENG)能够收集周围环境中的机械能,以其制造简单、重量轻、无磁铁和低频机械能收集能力等优点立即引起了人们的广泛关注。摩擦电纳米发电机(TENG)是一种将环境中的各种机械能转化为电能的新型发电机,目前已经引起了世界各国的广泛关注。尽管TENG能够达到高达数千伏的高开路电压,但由于高输出阻抗和低电荷转移,TENG的功率输出通常很低。

为解决该问题,来自香港中文大学的訾云龙和香港城市大学的王钻开利用反向电荷增强效应和类似晶体管的器件设计,绕过了这些限制,从而开发了一种能够在~1 Hz的低频下提供超过10 MW/m2的瞬时功率密度的TENG,远远超过了目前所报告的结果。在如此高功率的输出下,一个TENG装置就可以照亮180W的商业灯具。利用TENG可以驱动额定功率为30W的无线供电的LED车用灯泡照亮0.9米以外的物体。本文的结果不仅创造了TENG大功率输出的纪录,而且也为利用TENG为更广泛的实用电器供电铺平了道路。相关论文以题为“Achieving ultrahigh instantaneous power density of 10 MW/m2 by leveraging the opposite-charge-enhanced transistor-like triboelectric nanogenerator (OCT-TENG)”发表在《Nature Communication》。

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OCT-TENG的设计

如图1A所示,OCT-TENG由定子基板和滑块组成。定子包含具有相反电荷极化的共面摩擦表面(氟化乙丙橡胶,简称FEP)和聚碳酸酯(简称PC,厚度均为100μm)和四个电极(E1、E2、EL和ER)。EL和ER是放置在定子基板左侧和右侧的两个浮动电极。E1和E2是放置在FEP和PC膜下面的两个片状电极(Cu)。滑块在薄的FEP膜(10μm)下面包含片状电极E3。整个器件类似于由两个结构相同、摩擦表面相对的晶体管组成的互补晶体管对。E1和E2可视为每个“晶体管”的“源极”(S),而E3可视为动态“漏极”(D)。EL和ER是“门”(G)。当E3接触到EL或ER时,晶体管的“栅极”被“打开”,相应地,电荷可以在“源极”和“漏极”之间流动。为了比较,本文还制造了传统的滑模TENG(图1b)和带有单向开关的TENG(TENG-UDS)。通过负载电阻(R=1MΩ)测得的OCT-TENG峰值输出电流为~2.7mA,比使用相同滑块的对照-TENG高约300倍,如图1c所示。更有趣的是,由于总电荷转移约为对照-TENG的2.5倍,本文的OCT-TENG可以提供高出几个数量级的功率,如图1d所示。

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图1. OCT-TENG的设计和性能。

OCT-TENG的工作原理

为了清楚地解释本文的OCT-TENG的功率输出比传统的TENG装置有显著的提高,本文将OCT-TENG的运行和发电过程分为四个阶段,如图2a所示。在阶段1,滑块在FEP表面的顶部,电极E3与左浮动电极EL接触,对应于左“晶体管”的“导通”状态。在阶段2,滑块向PC侧移动(在接触ER之前)。在这个阶段,“晶体管”处于“切断”状态。在阶段3,E3与ER接触,对应于右侧“晶体管”的“接通”状态。在阶段4,滑块在E3接触EL之前向PC侧移动;“晶体管”处于“切断”状态。在每个阶段,电子在相应的电极之间转移,并平衡建立的电位差。实验结果与本文提出的机理和模型很好地吻合。

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图2. OCT-TENG的工作原理。

实验验证

类似晶体管的设计允许在“接通”状态下产生高电流,峰值电流与电路中的电阻成反比,如图3a-e,j所示。理想情况下,类似晶体管的TENG,Rin的内阻(输出阻抗)为零,但在实际测试中,可以从电路中检测到一个小Rin,这可能来自于接触电阻。将测得的电流峰值与訾云龙/王钻开联手《自然·通讯》:每平方米超过10兆瓦!摩擦电纳米发电机新纪录 中国化工网,okmart.com进行拟合,其中Rin是内阻(输出阻抗),R是负载电阻,本文得到了仅为41Ω的TENG电路的Rin。本文还进行了基于不同参数(包括有效面积、EL和ER之间的距离以及定子上电极的形状)的实验,所有的结果都证实了本文提出的机理。

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图3.本文所提出的机制的证据。

反向电荷增强效应的直接观测——四端口法

为了演示反向电荷增强效应,本文建立了一种“四端口”方法来直接检测OCT-TENG的反向电荷增强输出。如图4a所示,本文将定子上的四个电极(E1、ER、E1和E2)接地,并监控E1的电荷输出。在d1,d2≥d3的情况下,在阶段1到阶段4期间,从E1到地的电荷转移分别是Q2 - Q1, -Q2, 0, 和 Q1。利用这一方法,本文清楚地观察到了电荷积累,如图4b所示,并且Q1和Q2也可以从测试结果中确定,如图4C所示。除了检测电荷输出,这种“四端口”方法也是从材料的角度评估不同材料系统以进行器件优化的一种快速、简便的方法。

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图4.评估充电输出的“四端口”(Four-ports)方法。

OCT-TENG的应用

OCT-TENG可以为手表和温度计等低功耗设备供电,也可以为大功率设备供电。利用超高功率输出,本文使用一个有效面积为25cm2的小型OCT-TENG成功地点亮了一盏36W的灯和五盏180W的灯。(图5a-c)。此外,由于大部分电力是在“接通”状态(阶段1和阶段3)下产生的,并且在“接通”状态下产生的电流方向相同,因此电路中不需要整流器。如此高功率的输出还使我们能够无线的为各种电子设备供电。使用带有两个电感线圈的简单功率传输电路,可以实现75%的最大功率传输效率,如图5d所示。使用无线供电的车辆灯泡可以照亮0.9米外的物体,如图5F所示。

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图5. OCT-TENG为电气设备供电演示

小结:在这项工作中,作者提出了一种OCT-TENG策略,即通过利用反向电荷协同和类晶体管器件设计的综合效应来提高TENG的功率输出。一方面,相反的电荷增强效应提高了电荷的转移量。另一方面,利用类似晶体管的结构,可以在负载器件上产生接近于零的阻抗,从而获得了12 MW/m2的超高功率输出和790 MW·m−2·Hz−1的平均功率密度,远远超过了以往的记录。得益于如此高的功率,本文直接点亮了180W的商用灯泡,并对一个30W的汽车灯泡进行了无线供电。本文的OCT-TENG已经展示了大功率TENG的架构框架,并开辟了利用TENG为电器供电和为各种电气设备无线供电的途径。


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