中科院北京纳米所王中林团队Adv. Energy Mater.：长寿命和低波峰比摩擦电纳米发电机

【引言】

摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种将低频机械能转化为电能的独特革命性技术，以其峰值功率密度高、重量轻、设计简单、环境友好、材料选择多样等优势受到了人们的广泛关注。这些独特优点显示了TENG的巨大应用前景，作为一种新型的分布式能量收集器件，它可以补偿超级电容器/电池的能耗，并直接驱动小型电子设备。在实用中为了提供较大的电流作为能量供应源，需要将TENG并联来增加输出总功率。但是在多个TENG并联时，除非所有的输出信号都能保持相位同步，否则不可避免地会因各单元之间的相位差差异从而相互抵消，造成巨大的能量损耗。因此，迫切需要在不造成不必要的能量损耗的前提下，有效地使TENG并网发电。另一方面，TENG的输出通常为短时间的脉冲电流，其有效电流远低于峰值，因此波峰比很高。而作为直接驱动小型电子设备或电池/超级电容器的能量供应源，TENG的高波峰比会影响器件的工作寿命和储能效率。一般来说通过提高TENG的工作频率可以降低其输出波峰比，但是，对于频率通常低于5 Hz的生物机械能和蓝色能源，无法通过提高频率的方法来降低其波峰比。利用旋转滑动摩擦模式的TENG可以通过叠加不同位移相位下的输出信号进而减小波峰比，但是由于该模式下电极和摩擦层在相对滑动摩擦时会产生大量热量，加剧材料的摩擦损耗，极大地限制了TENG的工作寿命和商业化应用。因此，迫切需要同时解决TENG旋转结构的并联能量损耗、输出波峰比高、寿命短的问题。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和王杰研究员（共同通讯作者）团队，为了解决并联TENG中的能量损耗的问题，报道了并联结构的整流TENG。整流的TENG之间是具有相位差的旋转接触-分离结构，可解决高波峰比输出问题，并同时延长旋转TENG的使用寿命。在多整流器并联多个TENG（MRM-TENG）中，电流波峰比显着降低至1.31，而简单并联的TENG的电流波峰比高于6。同时，在1000小时的2.00 r s^-1下旋转7 200 000次之后，输出电流可保持高达93%的初始性能。这项工作为TENG的实用化提供一种新的策略，可同时实现低波峰比输出和长期循环稳定发电，用于大规模电力应用的分布式能源收集。该成果以题为“Long-Lifetime Triboelectric Nanogenerator Operated in Conjunction Modes and Low Crest Factor”发表在了Adv. Energy Mater.上，中科院北京纳米能源与系统研究所李昕螈博士生、尹星博士生和赵志浩博士后为论文共同第一作者。

【图文导读】

图1M-TENG、SRM-TENG和MRM-TENG的设计及其电学性能

a）M-TENG的示意图及其详细结构。

b）M-TENG中定子的尺寸和详细实例（比例尺：100 nm）。

c,d）M-TENG的c）电路和d）电流输出。

e,f）SRM-TENG的e）电路和f）电流输出。

g,h）MRM-TENG的g）电路和h）电流输出。

i,j)三种TENG的i）等效电流，j）波峰比因数和速度之间的关系。

图2SRM-TENG和MRM-TENG的工作机理

a）波峰比为5的TENG模拟信号。

b）模拟SRM-TENG和c）模拟无相位差MRM-TENG的相干波。

d）模拟SRM-TENG和e）模拟有规则相位差MRM-TENG的相干波。

f）模拟SRM-TENG和g）模拟有不同相位差MRM-TENG的波峰比和等效电流。

h）不同设备数量下的MRM-TENG的波峰比和等效电流。

i）不同波峰比下单个输出信号的最佳相位差和最小器件数。

图3MRM-TENG的性能优化

a-c）MRM-TENG中a）电极尺寸，b）电极与推杆之间的距离，c）推杆的数量的示意图。

d-i）MRM-TENG在不同参数下的等效电流性能：d）宽度，其中L=10 cm，D=2 cm，N=4，e）长度，其中W=2 cm，D=2 cm，N=4，f）电极与推杆之间的距离，其中L=10 cm，W=5 cm，N=4，g）推杆的数量，其中L=10 cm，W=5 cm，D=2 cm。

h）MRM-TENG的等效电流和i）波峰比受推杆距离和数量的影响，其中L=10 cm，W=5 cm。（速度为8.00 r s^-1）。

图4MRM-TENG的应用

a）MRM-TENG在收集风能中的示意图及其应用。

b,d）MRM-TENG在不同转速下的b）电流和d）电压输出。

c,e）MRM-TENG在2.00 r s^-1下长期稳定的c）电流和e）电压输出。

f,g）在不同速度和负载下，MRM-TENG的f）平均功率和g）等效电流。

h）在不同设备编号下，MRM-TENG的等效电流和波峰比。

i）MRM-TENG在实际应用中的示意图。

【小结】

综上所述，此工作解决了简单并联中TENG的能量损耗、TENG固有的高波峰比因子输出、基于旋转结构的TENG使用寿命短的问题。具体而言，并联的整流TENG可防止不必要的能量损耗；多个整流TENG之间的相位差可解决高波峰比输出问题；旋转接触分离模式为长期稳定工作提供了一种有力的方法。因此，可以同时获得低波峰比和长期稳定性输出，而不会造成不必要的能量损耗。当前结构可以使TENG输出信号的波峰比显着降低至1.31。通过使MRM-TENG并联用于分布式能源供应而无电损耗，等效电流可以以低波峰比线性增长。在1000 h的2.00 r s^-1下旋转7 200 000次后，效率可以保持其初始性能的93％。这项工作为TENG提供一个新的设计策略，可在分布式能量收集中实现低波峰比和长期稳定发电。

文献链接：Long-Lifetime Triboelectric Nanogenerator Operated in Conjunction Modes and Low Crest Factor（Adv. Energy Mater.， 2020，DOI:10.1002/aenm.201903024）

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