Advanced Energy Materials:基于高性能球形摩擦纳米发电机的多合一环境电源

随着物联网时代的到来,环境中广泛分布的传感器等电子器件对于电能的供应提出了新的要求。电池虽然可以满足一些场景下的应用,然而电池对于充电或更换的需求造成了额外的维护成本和管理困难,尤其是在野外和密闭空间等特殊应用场合。因此,原位收集环境能量并实现电能供给的自驱动技术成为当前一个重要的发展方向。王中林院士提出的摩擦纳米发电机技术可以有效收集环境中的低频能量,近年来得到迅速的发展。环境中的能量,如风能、雨能和太阳能往往具有不稳定的特性,还分布于特定时间或特定位置区域。另外,恶劣的野外环境条件也对器件的正常运行造成很大的影响。因此,发展一种具有广泛适应性且能够稳定提供电能供给的器件具有重要的意义。

图1. 多合一环境电源的概念、结构和工作原理图。(a)环境电源工作的概念图。(b)器件的结构图。(c)单个摩擦纳米发电机单元的工作原理图。

图2. 多合一环境电源的应用场景。(a)基于多合一环境电源的自驱动监测系统的基本结构。(b)太阳能电池、球形摩擦纳米发电机以及二者复合下为电容充电的比较。(c)基于多合一环境电源的自驱动土壤湿度监测系统。(d)自驱动土壤湿度监测过程中储能电容的充放电过程。(e)基于多合一环境电源的森林防火监测系统。(f)基于多合一环境电源的管道温度监测系统。(g)多合一环境电源的应用展望。

北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组与华中科技大学高义华教授课题组等合作对此进行了研究,提出了环境电源(Environmental power source)的概念,与化学电源相对应,环境电源基于周围环境提供电能,且对于复杂环境具有良好的适应性及环境友好特性,能高度融入周围环境,实现电子设备的免维护布署。研究团队基于一种新颖的球形摩擦纳米发电机实现了高性能的多合一环境电源。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001669)上。

文章基于摩擦纳米发电机提出了一种可广泛适应环境并收集多种环境能量的多合一环境电源。通过合理的结构设计,该器件将高性能球形摩擦纳米发电机与太阳能电池集成,使其能够从风、雨滴和阳光中有效地获取能量。带有环形边沿结构的4个球形摩擦纳米发电机在风中可获得几乎连续的直流电流输出和5.63mW的高平均功率,并可点亮1160个LED灯。此外,器件的良好封装能保证其在恶劣环境下稳定工作。通过与太阳能电池互补,器件能够一体化收集风能、雨能和太阳能等常见环境能量,实现全天候可靠的电能供应,适应多种复杂的环境条件,支持环境中的电子设备工作。文中还实现了在土壤湿度检测(智能农场)、森林防火、管道传感等场景的应用,展示了其在物联网时代各种分布式自驱动环境设备中的巨大应用潜力。