电子科大张晓升教授团队Nano Energy：基于周期性侧向悬臂梁的单向电流摩擦电纳米发电机

【引言】

环境能量收集是一种能有效解决微系统供电需求的方法，例如可以为构建物联网的数万亿传感器提供供电方案。近年来，学者们基于压电、光电、电磁和热电效应等不同的工作机理，开发了多种环境能量收集技术。而摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种新兴的环境能量收集技术，不仅能够获取多种形式的环境能量，而且具有可持续性等优异特性。TENG由摩擦起电效应在摩擦界面上产生电荷与静电感应诱导电荷经过电极转移共同作用而实现发电。随着人们对TENG潜在应用的深入的研究，自供电传感器、自驱动执行器、一体式自供电微系统等诸多基于TENG的设备和系统已经得到了展示 (Nano Energy, 47, 410, 2018;64, 103911, 2019; 66, 104123, 2019)。然而TENG固有的交流正负脉冲输出特性却极大地限制了其实际应用。虽然TENG有接触分离式、相对滑动式、单电极式、独立式等四种不同的模式，但它们都表现出由电极间感应电荷的流入和流出所产生的交流特性。这种正负交变脉冲的电流波形对于构建自供电的传感器和驱动器是非常有用的，但却无法直接为需要直流电的电子器件供电。为了将这种交流脉冲电转换为直流电，研究人员已经开发出了多种电源管理技术，其中整流电路是实现单向电流转换的根本。但整流电路所带来的功耗对TENG的输出性能有一定的影响，会导致其供电能力的下降。此外，由于整流电路的存在，导致集成难度增大，从而限制了其潜在应用；通过集成微纳能源器件，以实现一体式自供电微系统的美好愿景将被削弱。

【成果简介】

近日，在电子滚球体育 大学张晓升教授团队基于周期性侧向悬臂梁的创新设计，提出了一种新型的单向电流摩擦电纳米发电机（UC-TENG）。该工作借助特殊设计的导电网络和侧向悬臂梁的组合，将电荷的运动控制在单一方向上，从而形成单向电流。通过仿真和测试系统研究了所提出的UC-TENG的工作机理，证明了该设计的输出波形具有均匀稳定的单向特性。其最大开路电压、短路电流和功率密度分别达到300 V、1.4 mA和15.68 mW/m²。此外，所制备UC-TENG还成功地应用于电容器和低功耗电子设备直接、连续供电。这种基于侧向悬臂梁的新型UC-TENG去除了整流器电路，从而简化了传统TENG的电源管理电路；通过提高自供电微系统的集成度，极大地拓宽了TENG的吸引力。该成果以题为“Unidirectional-current triboelectric nanogenerator based on periodical lateral-cantilevers”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1UC-TENG的结构示意图

（a）UC-TENG的结构图。

（b）UC-TENG定子上两个导电框架的结构图。

（c）UC-TENG组合后的图片。

图2 UC-TENG的工作原理图

（a）UC-TENG的工作原理图。

（b）UC-TENG的器件结构示意图。

图3 UC-TENG的工作过程和仿真结果

（a）UC-TENG的工作过程图。

（b）UC-TENG的仿真结果。

图4UC-TENG的实物照片

（a）UC-TENG的正视图。

（b）定子的俯视图。

（c）定子的底视图。

（d）转子的俯视图。

图5 UC-TENG的电输出性能

（a,b）UC-TENG输出电压波形。

（c,d）UC-TENG输出电流波形。

图6UC-TENG的供电能力测量

（a）UC-TENG的外加电阻的输出电压与电流。

（b）UC-TENG的外加电阻的输出功率。

（c）UC-TENG直接给电容充电的电路图。

（d）UC-TENG为在不同转速下直接、连续的为1 μF电容器充电的电压曲线。

图7UC-TENG在气流能量收集中的应用

（a-b）UC-TENG获取风能的装置照片。

（c-f） UC-TENG收集两个相反方向的风能的而产生正（c,d）负（e,f）单向电。

图8UC-TENG的实际应用演示

（a–c）UC-TENG成功驱动了温度计来显示环境温度。

（d–f）UC-TENG为商用计算器供电。

（g,h） UC-TENG的单向输出特性演示。

【小结】

这项工作在周期性侧向悬臂梁结构设计的基础上，提出了一种新型的单向电流摩擦电动纳米发电机，它可以将旋转机械能转化为能够直接使用的单向电，而不需要任何整流电路。该工作使TENG应用中的电源管理电路得到简化，同时可以减少整流模块引起的功率损耗，提高功率传输效率。通过将印制电路板（PCB）工艺引入到UC-TENG中，使该器件具有高可靠性和低成本的前景。通过仿真和实验，验证了UC-TENG原理的可靠性。所制备的装置可以直接为储能单元充电，仅需7.38 s即可将一个1 µF的电容器充电到10µV，且装置的最大功率为15.68  mW/m²。此外，该工作还证明了所制备的UC-TENG可以无需任何整流电路，直接驱动商用电子产品（如电子温度计和小型计算器）。与传统的TENG相比，UC-TENG通过简化电源管理结构，增强了TENG的集成能力，形成一体化的自供电微系统，表现出了巨大的潜力，相信能够推动TENG在实际应用中产生更重要的影响。

文献链接：Unidirectional-current triboelectric nanogenerator based on periodical lateral-cantilevers（Nano Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104770）

本文由木文韬翻译。

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