Small Methods:3D打印技术精准设计相位差实现低波峰比摩擦纳米发电机

研究背景

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能量收集/转换技术,由于其成本低、结构简单、材料选择多样、低频下能量转换效率高等特点,引起了人们的广泛关注。然而,基于接触起电和静电感应原理的常规TENG呈现交流脉冲输出,很难直接驱动电子器件。虽然可以通过连接整流桥和储能器件解决这个问题,但脉冲输出使得TENG的有效电流远低于峰值电流,导致TENG的波峰比很高。 这样的TENG在直接驱动电子器件或给储能器件供能时,会影响其工作寿命和容量性能。因此,有效降低TENG的波峰比对TENG作为分布式电源的发展尤为重要。同时,TENG的长期使用寿命也是限制其广泛应用的关键瓶颈。前期通过设计接触分离模式的旋转结构TENG,实现了长寿命低波峰比的输出,将TENG的服役寿命大幅度提高至720万个工作循环,电流输出波峰比降至1.31,并提出了精准降低波峰比的指导方法(DOI: 10.1002/aenm.201903024)。为了实现更优异的输出性能,高效降低TENG的波峰比并提高其服役寿命具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

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课题组与王中林院士领导的科研团队通过3D打印技术精准设计相位差得到了低波峰比的摩擦纳米发电机,电流波峰比降至1.07,非常接近波峰比等于1的恒直流输出。同时在电极与摩擦层之间引入自适应接触设计大幅提高了TENG的服役寿命,在120万个工作循环之后,容量保持率在80%以上。此外,基于精准的3D打印技术,本工作还探讨了不同相位差设计对电流输出波峰比的影响,研究表明,采用不同相位差设计,在不改变TENG等效电流的情况下,可以获得不同的波峰比输出;当相位差为(2n)-1时(n为参与相位差设计的TENG的数量),TENG的电流输出波峰比最低。同时,通过优化电极个数与摩擦层厚度进一步提升了TENG的有效输出。该工作通过3D打印技术精准设计相位差实现TENG的低波峰比输出,同时通过自适应设计提高了TENG的耐久性,为TENG在能量收集方面的大规模应用提供了一种简单而有效的策略。

图文导读

图1. 3D打印技术精准设计相位差实现低波峰比摩擦纳米发电机
图2. 引入自适应接触设计的摩擦纳米发电机的长服役寿命

论文信息:

Triboelectric Nanogenerator with Low Crest Factor via Precise Phase Difference Design Realized by 3D Printing

Yuexiao Hu, Xinyuan Li, Zhihao Zhao, Chuguo Zhang, Linglin Zhou, Yanhong Li, Yuebo Liu, Jie Wang*, Zhong Lin Wang*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100936

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100936