Advanced Energy Materials:超耐久,低磨损,高性能的毛刷摩擦纳米发电机

农业在世界经济发展中起着至关重要的作用。随着物联网(IoT)和云计算等信息技术的飞速发展,现代农业正朝着越来越智能的方向迈进。基于现代技术的智能农业可以通过温度、湿度和光强度等分布式数据的采集来提供精确的种植管理、全方位的视觉指导和智能的生产决策,进而大大提高生产效率和质量。此时,通过摩擦纳米发电机(TENG)从周围环境中收集能量来使每个设备自供电,并完成系统的自驱动,为实现农业物联网和大数据分析提供了一种有效的解决途径。

图1. FB-TENG的应用、架构和工作机制示意图。

此外,对于TENG的实际应用,输出性能和耐久性是两个重要的考虑因素,但似乎这两者又有着不可调和的矛盾。紧密的接触会产生更多的摩擦电荷和更高的输出性能,但摩擦表面之间较大的摩擦力会导致材料磨损并极大降低器件的耐久性。因此,在保证输出性能的前提下开发减少磨损并提高稳定性的方法是极其必要的。

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队通过利用自然易得的动物皮毛作为摩擦电材料开发了一种超耐用、低磨损的TENG,来有效地收集能量。由于具有弹性和柔软性,动物毛皮在长期运行过程中可以与其他摩擦电材料保持紧密接触和低摩擦状态,从而确保高输出性能和低磨损。相对于传统的TENG,毛刷TENG(FB-TENG)即使在低驱动扭矩的情况下,其电输出也有10倍以上的增加。在0.1 N·m下连续运行30 0,000个循环后的转移电荷仅表现出5.6%的衰减,且即使相对湿度增加到90%,也能保持较高的输出性能。此外,本文首次设计了反向旋转结构以使电极和滑动层之间的相对旋转速度加倍,以进一步增加电能输出。基于该机制,在同等环境条件下其输出电流提高了36.6%。最后,通过收集风能和水流能,构建了基于FB-TENG的自驱动自动灌溉、气象监测和无线水位预警的多功能管理系统。相关详细内容以“Super‐Durable, Low‐Wear, and High‐Performance Fur‐Brush Triboelectric Nanogenerator for Wind and Water Energy Harvesting for Smart Agriculture”为题,发表在Advanced Energy Materials (https://doi.org/10.1002/aenm.202003066)上。该工作提供了在保证TENG高性能的前提下减少磨损的策略,为其在大数据和IoT中的实际应用奠定了基础。

图2.扭矩和摩擦材料种类对120 rpm转速下TENG输出性能的影响。

图3. 兔毛毛刷FB-TENG在0.6 N·m时的基本输出特性和耐久性测试与表征。

图4. FB-TENG在风能收集方面的应用演示。

图5. FB-TENG在水流能量收集中的应用演示。