摩擦式纳米发电机新进展:三维立体结构提升输出性能

AEnM摩擦式纳米发电机是将动能转化为电能的发电装置,其材料成本低、输出功率大、使用寿命长的特点,使之在能源领域以及自驱动电子器件领域受到越来越多的关注。传统的摩擦式纳米发电机包括两片带有极性相反电荷的薄膜,在周期的重合-分离过程中,输出周期性交流电流。这种摩擦式纳米发电机面临的问题是输出电流较小,在μA量级,限制了摩擦式纳米发电机对于大部分电子器件的应用。提高摩擦式纳米发电机的电学输出性能,用于直接驱动商用的电子器件或为便携式电子器件充电,可以为人们的生活提供极大地便利;将摩擦式纳米发电机应用于传感领域,实现自驱动电子器件,都使得摩擦式纳米发电机拥有极大地应用前景。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授、潘曹峰教授领导的研究小组采用了三维立体结构,制作了大功率摩擦式纳米发电机。该结构中,极性相反的薄膜(其中一种材料易得电子为A,另一种材料易失电子为B)依照ABAB的方式堆叠在一起,且极性相同的薄膜并联连接,极大地提高的摩擦式纳米发电机的电流输出。随着AB薄膜数量的增加,摩擦式纳米发电机的电学输出也成比例的增长。采用这种三维立体机构,一个拥有AB薄膜各20层、体积只有35 mm×45 mm×10mm摩擦式纳米发电机,可以达到开路电压800V,短路电流达到120μA,单次转移电荷总量2.5μC。利用这个摩擦式纳米发电机,可以同时点亮160个商用LED,另外这个摩擦式纳米发电机的电量还可以被储能器件收集并存储起来,在需要的时候为电子器件供电。随AB薄膜数量的增加,摩擦式纳米发电机的性能将继续提升。

除了发电的功能以外,该摩擦式纳米发电机也可以用于传感领域。该发电机以滑动的方式工作,其滑动距离和转移的电荷总量呈现极好的线性关系,其电流值和滑动的速度呈现几号的线性关系,使得该摩擦式纳米发电机可以应用于位移和速度传感器。