王中林院士Adv. Energy Mater.：柔韧性螺旋结构的摩擦纳米发电机的新发现

【引言】

在2006年，王中林课题组首次发明纳米发动机，从此引发了纳米发电机研究的热潮。近期研究发现，螺旋的摩擦纳米发电机比振动纳米发电具有更多的优点。比如，螺旋的摩擦纳米发电机可以用来收集水波能，提高能量的收集效率，放大振动频率，提高低频性能。其中，三维的螺旋纳米发电机不仅可以收集能量，还可以作为探测器。但是，螺旋纳米发电机中丙烯酸材料的应用，导致其只能收集轴向振动的能量。因此，柔性的螺旋纳米发动机的研究和任意方向上振动能量的收集、，仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）课题组以硅胶弹簧作为螺旋结构的基体材料，制备了柔韧性很好的摩擦纳米发电机。该螺旋结构的摩擦纳米发电机能够收集任意方向的振动能量，能够将环境激励转换为电能。另外，螺旋结构的摩擦纳米发电机的输出信号，能够作为自供电探测器。相关成果以“A Soft and Robust Spring Based Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Vibration Energy and Self-Powered Vibration Sensing”为题发表在Advanced Energy Materials上。

【图文导读】

图1 螺旋摩擦纳米发电机的模型及其工作机制示意图

(a) 螺旋结构的摩擦纳米发电机的装置示意图；

(b) 螺旋结构的摩擦纳米发电机采用的碳纤维的SEM图像；

(c) 螺旋结构的摩擦纳米发电机的实物图；

(d) 螺旋结构的摩擦纳米发电机的垂直振动机制；

(e) 螺旋结构的摩擦纳米发电机的水平振动机制。

图2 螺旋摩擦纳米发电机的力学性能及其线性发动机的电输出性能图

(a) 直线电机压缩螺旋结构的摩擦纳米发电机的示意图；

(b) 螺旋结构的摩擦纳米发电机的弹性特点；

(c) 峰压；

(d) 峰电流；

(e) 不同电压下，最高的充电电流；

(f) 负载电阻时的最大电压和最大功率。

图3 螺旋摩擦纳米发电机的物理模型、模态仿真和频率响应

(a) 垂直振动激励和水平振动激励的物理模型；

(b) 第一次ANSYS软件对三种振动模型的模拟；

(c) 垂直振动激励和水平振动激励的频率响应。

图4 在共振频率下，垂直振动激励16Hz和水平振动激励8.5Hz的电输出

(a) 平均最高电压；

(b) 平均最高电流；

(c) |a| = 1–23 m s⁻²加速度下，平均的峰值电流；

(d) 瞬时电压；

(e) 瞬时电压；

(f) 在|a| = 23 m s⁻²下，负载电阻的最高电压和最高功率；

(g) 垂直共振的功率输出；

(h) 负载电阻的水平振动的功率输出；

(i) 50 µF的商业电容器的充电电压与充电时间的函数。

图5 螺旋摩擦纳米发电机的振动能量收集和振动传感器应用

(a) LEDs和功率传感器应用的工作电路；

(b) 驱动发光二极管发光；

(c) 采用振动筛测量，汽车模型上的湿度和温度传感器应用；

(d) 加速度传感器的原理图；

(e) 垂直振动激励下，模型车的加速度和频率感应；

(f) 商业电容器和螺旋摩擦纳米发电机的比较图。

【总结】

螺旋的、柔性的摩擦纳米发动机能够在水平和垂直方向上振动。它的共振频率和有限元模拟具有一致性。它的性能能够通过选择合适的材料、改性表面形貌，进而，增加其充电的电流密度。因此，摩擦纳米发动机能够收集任意方向能量，如：海水波、海风振动和走路振动等，也能够作为自振式传感器。

文献链接：A Soft and Robust Spring Based Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Vibration Energy and Self-Powered Vibration Sensing(Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702432)。

本文由材料人编辑部张金阳编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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