中科院北京纳米所王中林团队Adv. Energy Mater.:长寿命和低波峰比摩擦电纳米发电机


【引言】

摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种将低频机械能转化为电能的独特革命性技术,以其峰值功率密度高、重量轻、设计简单、环境友好、材料选择多样等优势受到了人们的广泛关注。这些独特优点显示了TENG的巨大应用前景,作为一种新型的分布式能量收集器件,它可以补偿超级电容器/电池的能耗,并直接驱动小型电子设备。在实用中为了提供较大的电流作为能量供应源,需要将TENG并联来增加输出总功率。但是在多个TENG并联时,除非所有的输出信号都能保持相位同步,否则不可避免地会因各单元之间的相位差差异从而相互抵消,造成巨大的能量损耗。因此,迫切需要在不造成不必要的能量损耗的前提下,有效地使TENG并网发电。另一方面,TENG的输出通常为短时间的脉冲电流,其有效电流远低于峰值,因此波峰比很高。而作为直接驱动小型电子设备或电池/超级电容器的能量供应源,TENG的高波峰比会影响器件的工作寿命和储能效率。一般来说通过提高TENG的工作频率可以降低其输出波峰比,但是,对于频率通常低于5 Hz的生物机械能和蓝色能源,无法通过提高频率的方法来降低其波峰比。利用旋转滑动摩擦模式的TENG可以通过叠加不同位移相位下的输出信号进而减小波峰比,但是由于该模式下电极和摩擦层在相对滑动摩擦时会产生大量热量,加剧材料的摩擦损耗,极大地限制了TENG的工作寿命和商业化应用。因此,迫切需要同时解决TENG旋转结构的并联能量损耗、输出波峰比高、寿命短的问题。

【成果简介】

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士王杰研究员共同通讯作者)团队,为了解决并联TENG中的能量损耗的问题,报道了并联结构的整流TENG。整流的TENG之间是具有相位差的旋转接触-分离结构,可解决高波峰比输出问题,并同时延长旋转TENG的使用寿命。在多整流器并联多个TENG(MRM-TENG)中,电流波峰比显着降低至1.31,而简单并联的TENG的电流波峰比高于6。同时,在1000小时的2.00 r s-1下旋转7 200 000次之后,输出电流可保持高达93%的初始性能。这项工作为TENG的实用化提供一种新的策略,可同时实现低波峰比输出和长期循环稳定发电,用于大规模电力应用的分布式能源收集。该成果以题为Long-Lifetime Triboelectric Nanogenerator Operated in Conjunction Modes and Low Crest Factor发表在了Adv. Energy Mater.上,中科院北京纳米能源与系统研究所李昕螈博士生、尹星博士生和赵志浩博士后为论文共同第一作者。

【图文导读】

图1M-TENG、SRM-TENG和MRM-TENG的设计及其电学性能

a)M-TENG的示意图及其详细结构。

b)M-TENG中定子的尺寸和详细实例(比例尺:100 nm)。

c,d)M-TENG的c)电路和d)电流输出。

e,f)SRM-TENG的e)电路和f)电流输出。

g,h)MRM-TENG的g)电路和h)电流输出。

i,j)三种TENG的i)等效电流,j)波峰比因数和速度之间的关系。

图2SRM-TENG和MRM-TENG的工作机理

a)波峰比为5的TENG模拟信号。

b)模拟SRM-TENG和c)模拟无相位差MRM-TENG的相干波。

d)模拟SRM-TENG和e)模拟有规则相位差MRM-TENG的相干波。

f)模拟SRM-TENG和g)模拟有不同相位差MRM-TENG的波峰比和等效电流。

h)不同设备数量下的MRM-TENG的波峰比和等效电流。

i)不同波峰比下单个输出信号的最佳相位差和最小器件数。

图3MRM-TENG的性能优化

a-c)MRM-TENG中a)电极尺寸,b)电极与推杆之间的距离,c)推杆的数量的示意图。

d-i)MRM-TENG在不同参数下的等效电流性能:d)宽度,其中L=10 cm,D=2 cm,N=4,e)长度,其中W=2 cm,D=2 cm,N=4,f)电极与推杆之间的距离,其中L=10 cm,W=5 cm,N=4,g)推杆的数量,其中L=10 cm,W=5 cm,D=2 cm。

h)MRM-TENG的等效电流和i)波峰比受推杆距离和数量的影响,其中L=10 cm,W=5 cm。(速度为8.00 r s-1)。

图4MRM-TENG的应用

a)MRM-TENG在收集风能中的示意图及其应用。

b,d)MRM-TENG在不同转速下的b)电流和d)电压输出。

c,e)MRM-TENG在2.00 r s-1下长期稳定的c)电流和e)电压输出。

f,g)在不同速度和负载下,MRM-TENG的f)平均功率和g)等效电流。

h)在不同设备编号下,MRM-TENG的等效电流和波峰比。

i)MRM-TENG在实际应用中的示意图。

小结

综上所述,此工作解决了简单并联中TENG的能量损耗、TENG固有的高波峰比因子输出、基于旋转结构的TENG使用寿命短的问题。具体而言,并联的整流TENG可防止不必要的能量损耗;多个整流TENG之间的相位差可解决高波峰比输出问题;旋转接触分离模式为长期稳定工作提供了一种有力的方法。因此,可以同时获得低波峰比和长期稳定性输出,而不会造成不必要的能量损耗。当前结构可以使TENG输出信号的波峰比显着降低至1.31。通过使MRM-TENG并联用于分布式能源供应而无电损耗,等效电流可以以低波峰比线性增长。在1000 h的2.00 r s-1下旋转7 200 000次后,效率可以保持其初始性能的93%。这项工作为TENG提供一个新的设计策略,可在分布式能量收集中实现低波峰比和长期稳定发电。

文献链接:Long-Lifetime Triboelectric Nanogenerator Operated in Conjunction Modes and Low Crest Factor(Adv. Energy Mater., 2020,DOI:10.1002/aenm.201903024)

本文由木文韬翻译,欧洲足球赛事 整理编辑。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读,投稿邮箱tougao@cailiaoren.com

分享到