重庆大学胡陈果团队Nat. Commun.：用于微机械能采集的高性能浮动自激滑动摩擦纳米发电机

【引言】

在能源方面，城市不仅需要核能、水电等集中能源，还可以收集分布式能源，如人体运动、微风、振动等，为个人/小型设备提供动力。此外，分布式能源的广泛应用场景也引起了全世界的关注。基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，摩擦纳米发电机（TENG）已被证明是一种更有效的能量收集策略，与电磁发电机或压电发电机相比，用于低频环境分布式能源（在<5Hz的工作频率下，比TENG小5~100倍）。随着工作模式和性能的改进，TENG具有成本低、结构简单、材料多样、柔性和适应性强等突出优点，有可能被用于生物传感、人工智能、高压应用和蓝色能源等方面。一般来说，接触摩擦会造成界面的热损耗和磨损，而非接触的平面运动可以避免这些缺点。因此，无界面接触的浮动模式TENG具有很高的耐用性，由于摩擦损失为零，理论转换效率接近100%，并且易于收集轻微的运动能量，在TENG的商业化进程中显示出最大的潜力。众所周知，表面电荷密度是提高TENG输出的关键因素。然而，非接触模式中原有电荷的快速衰减导致输出非常小，从而限制了其应用。为了提高电荷密度，提出了化学改性、接触改进、环境控制、电荷泵等多种方法，并实现了接触分离TENG的电荷密度从100 μC m⁻²提高到1020 μC m⁻²。团队提出的有效电荷激发策略将接触分离TENG的电荷密度在空气环境中提高到1.25 mC m^-2，并通过量化电荷激发下的接触状态进一步达到2.38 mC m^-2。最近，通过利用电荷空间积累效应的巧妙设计，使滑动TENG（S-TENG）达到了1.68 mC m^-2的电荷密度，并通过直接摩擦起电和空气击穿释放电荷来增加微电极单元数，实现了5.4 mC m^-2的超高电荷密度，达到了一个新的里程碑。然而，通常需要一个大的驱动力来驱动滑动TENG，伴随着大的和不可避免的界面摩擦，或者实现接触分离TENG的亲密接触。显然，即使引入了界面液体润滑剂，接触式的S-TENG也不利于收集低速风能和波浪能。至于非接触模式，旋转式TENG通过内置牵引绳结构的离心力，自动将低速的接触模式转化为高速的非接触式，通过这种方式，TENG增加了接触模式下的电荷，以克服非接触模式下的电荷衰减。此外，还提出了一种提高输出功率的补充电荷方法，通过添加外部摩擦材料来提高摩擦层的电荷密度。然而，由于摩擦起电效应有限，电荷密度的提高只达到20 μC m^-2。尽管接触式TENG的电荷密度和输出功率有了明显的提高，但迄今为止，非接触式要提高其输出电能仍是一个巨大的挑战。因此，需要改进TENG，使其在较小的驱动力下同时实现耐用性和高输出性能。

【成果简介】

近日，在重庆大学胡陈果教授团队等人带领下，提出了一种具有高输出性能和长期耐用性的浮动自激S-TENG（FSS-TENG），通过转子和定子之间的自激放大，可用于高效采集各种小机械能。通过引入单向导通电压倍增电路（VMC）并在非接触旋转器中增加一个激励电极，FSS-TENG本身实现了电荷密度的快速指数式自增。为了实现最大的输出电荷密度，从理论和实验两方面给出了非接触TENG的击穿模型。优化结构后，FSS-TENG在300rpm转速下提供了1μC（71.53μC m^-2）的转移电荷和34.68 mW的峰值功率，与无电荷激励的浮动TENG（F-TENG）相比，分别增强了5.46倍和3.88倍。此外，FSS-TENG的最大输出电荷密度在运行10万次后略有增加，表现出超高的输出稳定性。最后，通过使用风杯作为触发器，验证了FSS-TENG在3m s⁻¹低风速下通过采集风能点亮道路警示灯，并持续驱动一些小型电子产品。该工作为采集随机环境能量、实现分布式能源供应提供了可靠的策略。该成果以题为“High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting”发表在了Nat. Commun.上。

【图文导读】

图1 FSS-TENG的结构和工作原理

a）用于风能收集的FSS-TENG的场景图。

b）旋转FSS-TENG单元3D结构示意图。

c）简化的FSS-TENG工作原理图。

d）电压倍增电路（VMC）的输入/输出节点及方案。

e-h）电荷在周期性滑动循环期间的自激发过程。

i）四种工作模式下的动态输出电荷曲线，显示了FSS-TENG强大的输出增强能力。

图2 非接触TENG的空气击穿模型及结构对平面FSS-TENG输出的影响

a）非接触TENG的等效物理模型。

b）电荷激发的非接触TENG的实验和理论最大电荷密度与间隙的关系图。插图是指测量方法。

c）无电荷激发的非接触TENG的电荷密度与间隙的关系图。插图是指测量方法。

d）模拟电位差在10 μC m^-2处的电位分布。

e）平面FSS-TENG的3D示意图。

f）设备的俯视图和侧视图照片。每个电极和PTFE的面积为23.3 cm²。比例尺：2 cm。

g）电荷自激的动态输出电荷积累过程。

h）上下电极之间的动态激励电压。

i）不同电极面积和空气间隙的平面FSS-TENG的输出电荷(0 mm间隙表示全接触状态)；Al电极表面附着25 μm Kapton膜，Cu电极表面无Kapton膜。

j）不同材料（FEP、PTFE和Kapton，气隙为0.35 mm）的输出电荷。g-j）驱动频率为2 Hz。

图3 旋转FSS-TENG的性能

a）定子和转子的设备照片。比例尺：2 cm。

b-d）分别在300 rpm下b）动态电荷，c）电流和d）电压输出。

e-g）不同转速下的e）转移电荷、f）电流和g）电压。

h）在300 rpm时匹配阻抗和输出功率。

i）在300 rpm时充电电容器的电压曲线。

图4 收集风能的耐久性和输出性能

a）FSS-TENG和滑动TENG（S-TENG）的耐久性测试，运行10万次。

b）FSS-TENG和c）S-TENG的转子表面磨损，表明了FSS-TENG的超长期可靠性。(1) PTFE和(2)PA的SEM图像。(3)旋转部件设备磨损照片。(4)经稳定性测试后的PTFE厚度。

d）FSS-TENG采集风能的现场照片。

e-g）不同风速下FSS-TENG的e）转移电荷、f）电流和g）电压。

h）在7m s⁻¹风速下匹配阻抗和输出功率。

i）电容器在7m s⁻¹风速下充电的电压曲线。

图5展示FSS-TENG驱动装置

a,b）FSS-TENG点亮912 LED的a）电路图和b）真实照片。

c）以5 m s⁻¹的风速（所有灯的直径为5 mm）直接驱动带有348个LED的模拟道路警示灯。

d）带有为电子设备供电的能源管理单元（EMU）的FSS-TENG电路图。

e）用EMU在5m s⁻¹风速下对电容器充电的电压曲线图。

f）两个温湿仪在3m s⁻¹风速下与动车组并联的电压-时间曲线。

g）f中选定区域的详细电压曲线。

h）由FSS-TENG供电的温度湿度计的真实照片。

【小结】

综上所述，给出了非接触式TENG的空气击穿模型，以实现其最大电荷密度。此外，FSS-TENG的设计实现了高功率输出和高耐用性，以有效收集微机械能。利用VMC实现的自激使F-TENG转移电荷在300 rpm转速下，在5s内上升到1μC，表面电荷密度为71.5μC m^-2，是F-TENG的5.46倍，显示了其强大的输出。重要的是，经过10万次的稳定性测试，FSS-TENG表现出卓越的耐久性，输出性能没有任何阻尼，设备也没有任何磨损。此外，FSS-TENG可用于收集风能，并直接点亮912个LED，应用于道路警示灯。通过能量管理，FSS-TENG可以在3m/s的风速下为两个平行的温度湿度计持续供电。这项工作为解决未来微电网甚至大型电网的能源需求提供了一种有前景的策略。

文献链接：High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting（Nat. Commun.，2021，DOI：10.1038/s41467-021-25047-y）

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