Advanced Energy Materials:长寿命低波峰比摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种将低频机械能转化为电能的独特革命性技术,以其重量轻、设计简单、环境友好、材料选择多样等独特优势引起了人们的广泛关注。它可以收集分布式小型机械能,直接驱动小型电子设备,或者补偿超级电容器/电池的能耗。为了增加输出总功率,提供比较大的电流作为能源供应,有必要将TENG并联。然而,并联多个TENG时,除非所有的输出保持一致,否则总输出不可避免地会因各器件之间的电量消减而造成巨大的电量损耗。同时,TENG的短脉冲输出使得有效电流远低于峰值电流,因此波峰比很高。在直接驱动小型电子设备或为电池/超级电容器充电的能源供应方面,TENG的高波峰比会严重影响其工作寿命和容量性能。为了降低波峰比,常规方法集中于增加工作频率,然而,对于工作频率通常低于5 Hz的生物机械能和蓝色能源,直接提高工作频率是不现实的。并且,传统旋转滑动摩擦TENG工作寿命短,电极和相对摩擦层在旋转滑动摩擦TENG模式下的连续磨损将急剧提供大量热量,从而损坏摩擦材料,这限制了TENG的工作寿命和商业化。因此,TENG并联时的电量损失、输出波峰比高、旋转结构寿命短是TENG作为能源供应装置时三个需要迫切解决的问题。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授和王杰研究员团队(共同通讯作者)针对这些问题提出了一套解决方案:将单个TENG先整流再并联,减少不必要的电量损失,TENG之间设计相位差从而降低输出波峰比,同时利用接触分离的旋转模式增加旋转TENG结构的使用寿命。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903024)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。

具体而言,整流后的TENG再并联可以防止不必要的电量损耗;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TENG的长寿命提供了一种有力的方法。因此,本工作可以同时获得TENG的低波峰比和长期稳定输出,而不会造成不必要的电量损耗。同时,这篇文章首次将TENG的电流输出比作波,并利用波的干涉原理,理论证明了可以通过调整相位差和器件数量,获得期许的波峰比和等效电流。文中,可以将传统TENG的波峰比(~6)显著降低(1~2),并且以2.00 r s-1的速度旋转1000h(7 200 000圈)后,输出效率可以保持其初始性能的93%。这项工作在大规模分布式能量收集中可以实现TENG低波峰比输出和长期循环稳定发电,为TENG的工业化提供了一个新的策略。