中科院纳米能源所王中林院士Adv. Funct. Mater.: 耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机高效收集水波能

【前言】

能源在人类生活中扮演着非常重要的角色，现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源，这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭，迫切需要寻找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有储量丰富、受环境因素影响较小等优点，是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是，近几十年世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机，而电磁发电机因其自身的工作原理所限，难以有效收集这种低频的、随机的能源。

王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机，它利用麦克斯韦位移电流的机理，将周围环境中的机械能转化为电能。同时球形结构摩擦纳米发电机因其具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点已经被用来收集水波能。但是在之前报道的工作中，还存在输出电流较小等缺点，限制了它的实际应用。一种可能的解决方案是在球体中引入弹簧结构并改变发电机的工作模式，该弹簧结构可以存储水波冲击的动能，然后通过残余振动转换成电能。

【成果简介】

近日，来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士团队在Advanced Functional Materials上发表题为“Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting”的论文，硕士生肖天笑、梁茜和蒋涛副研究员是论文的共同第一作者。在这项工作中，作者设计了一种基于弹簧及多层结构的球形TENG单元，并组成TENG阵列来收集水波的能量。弹簧结构的引入可以将低频水波运动转化为高频振动，提高了球形TENG的输出性能，而多层结构提高了空间利用率，导致球形单元的输出更高。由于其独特的结构，一个球形TENG单元的输出电流可达120µA，比以往滚动球形TENG单元的输出电流大两个数量级，在水波的触发下，最大输出功率可达7.96 mW。由四个单元集成得到的TENG阵列能够成功驱动几十个LED灯，并为电子温度计供电。这项研究展示了纳米发电机在大规模蓝色能源收集中的重要应用前景。

【图文导读】

图1. 球形摩擦纳米发电机的结构

a)浮于水面的耦合弹簧及多层结构的球形TENG的示意图，五个基本单元形成的锯齿多层结构的放大示意图；

b)制备的TENG器件的照片；

c)球形TENG每个单元的工作原理示意图。

图2. 性能表征

a)水波作用下含五个基本单元的单球形发电机的典型输出电流，b)转移电荷，和c)输出电压；

d)含五个基本单元的球形发电机的平均峰值电流和平均峰值功率与电阻的关系。

图3. 性能表征

在不同水波频率下，含五个基本单元的球形发电机的a)输出电流，b)转移电荷，c)输出电压，d)输出功率。

图4. 性能表征

在不同水波振幅（信号发生器的输出电压幅值）下，含五个基本单元的球形发电机的a)输出电流，b)转移电荷，c)输出电压，d)输出功率。

图5. 结构优化

铜块质量对含五个基本单元的球形发电机的a)输出电流，b)转移电荷，c)输出功率的影响；多层结构中发电单元的集成数目对球形发电机的d)输出电流，e)转移电荷，f)输出功率的影响。

图6.  TENG阵列的应用

a)在水波作用下，由TENG阵列点亮“TENG”图案的数十个LED灯的照片；

b) TENG阵列的整流输出电流和c )在不同水波频率下输出功率与电阻的关系；

d) 在水波作用下，通过对470 mF电容器充电，TENG阵列驱动电子温度计测量实时水温的照片；

e) TENG阵列对470 mF电容的充放电曲线；

f) TENG阵列对不同电容器的充电曲线。

【结论】

综上所述，作者通过耦合弹簧及多层结构制备了一种可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机。该球形摩擦纳米发电机中每个发电单元的工作模式均为垂直接触-分离模式。在真实水波实验环境中，在1.0 Hz的水波频率，2.5 V的信号发生器输出电压幅值（对应于水波振幅）的水波冲击下，其最大功率可达7.96 mW，输出电流为120 µA。进一步研究了不同水波频率和不同水波振幅下，该摩擦纳米发电机的电学输出性能，发现其在1.0 Hz的水波频率下能达到最大输出值，能较好地适用于水波的低频工作环境。然后，从球形摩擦发电机中所用的铜块质量以及集成的发电单元数量两个方面对其进行结构优化。最后，将四个优化后的球形摩擦纳米发电机组成发电阵列，其输出功率和输出电流分别达到15.97 mW和225 µA，并成功驱动电子温度计工作，测量水的实时温度，显示了该摩擦纳米发电机在水波能大规模收集中的巨大潜力。

文献链接：Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201802634)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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