Advanced Energy Materials:双电容增强系统实现超耐磨、耐湿摩擦电纳米发电机

1、研究背景

随着物联网时代的到来,各种分布式传感器、智能设备愈加普及,其对清洁、可持续、分布式能源的需求急剧增加。作为一种机械能收集技术,摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,简称TENG)被认为是一种环境友好、高效、极具潜力的分布式能源解决方案。目前,通过真空、电荷泵和自激励技术, TENG的输出性能已经实现了里程碑式的突破。然而,TENG的长期使用寿命及湿度敏感性成为其发展的另一关键瓶颈。本课题组前期通过摩擦界面液体润滑技术(Advanced Energy Materials  2020, 2000965 )及接触分离旋转模式TENG结构设计(Advanced Energy Materials  2020, 1903024),已经将TENG的服役寿命大幅度提高至7 200 000个工作循环。但仍然难以同时解决TENG高输出下的长期稳定性及湿度敏感问题。因此,探索新的TENG输出性能增强机制,同时解决TENG的服役寿命及湿度敏感性问题具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

2、文章概述

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王杰研究员与王中林院士领导的科研团队提出了一种双电容增强技术,可同时大幅度提高TENG的输出功率、服役寿命和耐湿性能。受TENG物理电容模型的启发,本文提出了一种双电容增强摩擦纳米发电机(DCE-TENG),其工作原理基于TENG低电荷注入及双电容系统中(固定电容Cf和可变电容Cv)的电荷转移。因此,当系统稳定工作时,TENG器件的两个摩擦层仅需轻微摩擦,所产生的电荷就能满足双电容系统的微小漏电流,实现稳定的高输出,且滑动式TENG及设计的双电容系统具有高耐湿特性。利用该双电容增强系统,DCE-TENG的输出功率可提升15倍,连续工作1 000 000个循环后仍保留原始输出的94%,且在相对湿度高达90%环境中仍保留原始输出的95%。本工作对提高TENG的输出性能、使用寿命和耐湿性具有指导意义,将进一步推进TENG的商业化和应用。

3、图文导读

图1 DCE-TENG结构及工作原理。a. DCE-TENG结构图。b,c. Cv结构及电极间距显微照片图。d. DCE-TENG工作原理图。e. DCE-TENG与传统TENG工作原理对比图 f. DCE-TENG与基于电荷泵TENG的耐湿性能对比图。g,h. DCE-TENG与传统TENG使用寿命、匹配平均功率对比图。
图2 DCE-TENG输出性能影响因素。a,b. TENG转移电荷及开路电压图。c. 1Hz稳压条件下DCE-TENG转移电荷累计过程。d. Cv和Cf转移电荷量。e. DCE-TENG最大转移电荷量与Cv和Cf容量之间的关系。 f. 初始电压对DCE-TENG输出影响。g. Cv对DCE-TENG输出影响。h. 去掉TENG后,DCE-TENG的电荷衰减图。
图3 DCE-TENG耐湿及输出稳定性。a,b,c. 湿度对DCE-TENG转移电荷量、Cv电容容量、TENG开路电压的影响。d. 1Hz条件下DCE-TENG的输出稳定性。 e. 1 000 000 s后L-TENG的电压。f. TENG互补电极的电势差。 g. Kapton在初始状态及运行1 000 000 s后的表面粗糙度。h. i)Cv, ii)L-TENG, iii) T-TENG的介质表面SEM图。i. 各TENG介质表面的三维立体图。
图4 DCE-TENG电输出性能及应用展示。a. 不同频率下DCE-TENG的转移电荷量及短路电流。 b. TENG和DCE-TENG的转移电荷率对比图。c. 不同负载下TENG和DCE-TENG的平均功率对比图。d,e. DCE-TENG和TENG驱动电子器件电路图。f. DCE-TENG和TENG充电曲线对比。g,h. DCE-TENG和TENG驱动电子器件充电曲线对比图。 i. DCE-TENG能量收集流程图。

4、结论

团队提出了一种双电容增强系统,用于同时提高TENG的输出功率、使用寿命和耐湿性能。不同于传统TENG电能输出,该系统利用TENG低电荷注入及双电容系统中(固定电容Cf和可变电容Cv)的电荷转移对外输出电能。通过对输入电压、固定电容容量、可变电容最大容量及双电容比值进行优化,DCE-TENG的输出性能可提升15倍。同时,该系统在连续工作1 000 000个循环后仍保留原始输出的94%,且在相对湿度高达90%环境中仍保留原始输出的95%。研究成果对于探索提高TENG的输出性能、使用寿命和耐湿性具有指导意义,将进一步推进TENG的商业化和应用。

该项目研究获得国家科技部重点研发项目(No. 2016YFA0202701) 、国家自然科学基金资助项目(No. 61774016、No. 51432005、No. 5151101243、No. 51561145021)、北京市科学技术委员会(批准号:Z171100000317001、Z171100002017017、Y399313DF)等项目资助,谨此感谢。

论文信息:

Achieving Ultrarobust and Humidity-Resistant Triboelectric Nanogenerator by Dual-Capacitor Enhancement System

Linglin Zhou#, Yikui Gao#, Di Liu#, Li Liu, Zhihao Zhao, Shaoxin Li, Wei Yuan, Shengnan Cui, Zhong Lin Wang*, Jie Wang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101958

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101958