王中林院士Adv. Funct. Mater.:摩擦纳米发电机最大有效能量输出的主要限制因素—空气击穿效应


【引言】

摩擦纳米发电机(TENG)的最新进展表明其在高效机械能量采集-转换技术中存在巨大的发展潜力,研究人员通过最大限度地提高摩擦表面电荷密度,可以实现能量输出的有效提升。然而,在高压条件下,空气会被击穿,在接触分离(CS)模式的TENG中大部分增强的表面电荷不能保留,进而不能用于发电。

成果简介

北京时间5月2日 ,中科院王中林院士课题组在Adv. Funct. Mater.上发表最新研究成果Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation-Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown,证实空气击穿效应是限制CS模式TENG最大有效功率输出的主要因素。

此次,王中林院士课题组在高阻抗外部负载下,证实在低阈值表面电荷密度为40-50μCm-2的CS模式TENG中,存在空气击穿效应,限制了TENG的最大有效能量输出。研究人员进一步对不同压力和气体环境等因素进行了探索,为如何降低空气击穿效应的影响提出了解决方案。

图文导读

1具有低电荷密度的CS模式TENG中存在空气击穿效应

a通过Paschen定律计算在1atm空气中的击穿电压,其中A-E点显示不同转移电荷量Q下CS模式TENG的摩擦表面之间的电压V1,插图为TENG的示意图;

b由COMSOL Multiphysics软件模拟的A-D点的潜在分布;

cV-Q图中摩擦表面之间电压V1的分布;

dV-Q图中击穿电压Vb的分布;

eV-Q图中Vb-V1的分布,红色虚轮廓线为0 V,“+”和“-”区域以此轮廓线分开。

2证实具有低阈值表面电荷密度的空气击穿的存在性

aCS模式TENG运行期间空气击穿的过程和最终充电密度测量的机理图;

b-c初始和最终电荷密度测量,初始电荷密度为35.8μCm-2, 插图显示相应的电路;

d-e初始和最终的电荷密度测量,初始电荷密度为82.3μCm-2

f六个TENG的最终充电密度的测试结果,虚线表示相同的初始和最终电荷密度,绿色区域表示空气不击穿,蓝色区域表示空气击穿。

3各种电荷密度的CS模式TENG的击穿区域

aTENG结构示意图;

b-f具有各种电荷密度的CS模式TENG的击穿区域(红色)。

4各种电荷密度的CFT模式TENG的击穿区域

aTENG示意图;

b-f具有各种电荷密度的CFT模式TENG的击穿区域(红色)。

5各种电荷密度的SEC模式TENG的击穿区域

aTENG示意图;

b-e具有各种电荷密度的SEC模式TENG的击穿区域(红色);

f显示三种模式TENG的每个周期的最大有效能量输出。

6不同压力和气体环境下TENG的空气击穿极限与最大有效能量输出

a帕斯克定律的曲线;

b-d不同环境下三种模式TENG的每个周期的最大有效能量输出。

小结

通过一系列理论模拟计算和实验,证明了低阈值表面电荷密度为40-50μCm-2的CS模式TENG中,存在空气击穿效应, 抑制了TENG在CS、CFT和SEC模式中的能量输出。研究人员对不同压力和气体环境中的TENG能量输出情况进行了测试,通过与1 atm空气进行比较,为如何降低空气击穿效应,从而提高TENG的有效能量输出,提供了可能的解决方案。

文献连接Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation-Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown(Adv.Funct.Mater., 2017, DOI:10.1002/adfm.201700049)

本文由材料人编辑部卢海洲编译,赵飞龙审核,点我加入材料人编辑部

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