Advanced Energy Materials:高功率旋转泵浦摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)基于摩擦起电和静电感应,可将各种机械能转化为电能,在物联网、可穿戴器件、自驱动传感,生物医学、蓝色能源等诸多方面具有重要的应用。表面摩擦电荷密度对于摩擦纳米发电机的性能至关重要,一般实现的电荷密度均在250μC/m2以下,低电荷密度使得高功率摩擦纳米发电机研究一直难以突破。中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究团队于2018年首次提出了电荷泵浦(Charge pumping)的策略,通过泵浦产生约束电荷,基于接触分离式摩擦纳米发电机实现了1020μC/m2的电荷密度,突破了一般的认知,达到了通常认为在大气环境下无法达到的超高电荷密度,向实用化的高功率器件的实现迈出重要一步。而为推动器件的功率进一步突破,需要将泵浦策略应用于输出性能更好的旋转式或滑动式的摩擦纳米发电机。

为实现以上目标,王中林院士领导的研究团队首次提出了一种新颖的同步旋转泵浦结构,实现了高功率的旋转摩擦纳米发电机。相关结果以Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators为题发表在了Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.202000605)。

在该器件中,设计了泵浦发电机和主发电机两种子结构,并基于一种同步旋转结构进行同轴串联。泵浦发电机由普通摩擦纳米发电机实现,通过一对泵浦电极产生输出,而主发电机主要包括相对旋转的存储电极和输出电极,泵浦电极通过整流向存储电极中注入电荷,这些电荷约束在存储电极中,其作用类似于普通的摩擦电荷,也可以在相对旋转的输出电极中产生感应输出。但由于存储电极中可以不断的注入电荷,其电荷密度可比普通摩擦静电荷高很多,密度极限取决于电介质的击穿。在这种设计下,表面不再需要强烈的摩擦来产生静电荷,从而使得约束电荷的产生与表面摩擦强度解耦,在产生高功率输出的同时,发热和磨损得到抑制。器件采用的同步旋转结构使得无需使用任何电刷即可实现上述功能,保证了器件的可靠性。单个器件可实现4.5μC的转移电荷量,与对照的普通摩擦纳米发电机相比,电荷量增强约9倍,功率增强约15倍,并可在1s内使输出上升到饱和值。该器件还可由单一泵浦发电机驱动多个主发电机。当采用一对泵浦发电机驱动四个主发电机时,在2Hz的低转速下,实现了225mW的平均功率。相较此前基于接触分离式结构的泵浦器件,该器件在平均功率和饱和时间方面均有大幅性能提升。随着后续器件参数的优化,器件性能将有可能得到进一步增强。该结构也可扩展到滑动式摩擦纳米发电机中。作为一种高性能基础元件,该器件可以广泛适应于连续或间歇的激励,应用于不同的结构并收集环境机械能,如风能、波浪能等,实现高功率的自驱动系统和新型的清洁能源,其优异的性能也将推动摩擦纳米发电机在上述领域更快取得实际应用。