河南大学程纲Advanced Functional Materials: 摩擦纳米发电机的无源高效电源管理

【引言】

物联网作为一个全新的领域，通过信息的传感、处理和传输，来实现物与物、物与人之间的互联。传感终端是物联网的重要构成部分，由温度、湿度、光、压力、气体等各种传感器件组成。这些小型传感器件单个耗能很小，但其数量巨大且分布广泛。因此，使用电池来驱动整个传感器网络是不现实的，不仅会带来难以追踪和回收的问题，并会产生环境污染与健康危害。因此我们急需一种能够独立为这种小型电子器件持续供电的新型能源。

摩擦纳米发电机 (TENG) 作为一种全新的能源获取方式，通过摩擦起电与静电感应的耦合，可以将环境与人体运动产生的机械能直接转化为电能。相比于传统的电磁感应发电机，其在低频机械能的收集中具有优势，并且具有结构简单、成本低廉的优点。目前，TENG不仅可以收集风能、振动、水滴、水流、波动的能量，也可以发展光、气体、声音、脉搏、温度等自驱动传感系统。TENG的输出具有电压高、电流低的特性，需要使用电源管理电路（PMC）将其电能高效存储起来，以满足小型电子器件的供电要求。但是，TENG的输出阻抗大，与PMC的阻抗不匹配，是发展高效PMC所面临的重要问题。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授在Advanced Functional Materials上发表了题为“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。报道了一种单向开关式摩擦纳米发电机 (TENG-UDS)，并将其应用到电源管理电路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的负载范围内保持输出能量的最大化，不受负载电阻的影响。而且由于开关中双触头的设计，无需整流实现了单向的电学信号输出。在此基础上，设计了由电感、二极管和储能电容等简单原件组成的无源PMC。理论计算结果表明，该无源PMC的总能量存储效率可以达到75.8%。在对10 μF电容的实际充电测试中，总能量存储效率可以达到48.0%。演示结果表明，利用此PMC所存储的电能可以驱动商用电子表和高亮度的QLED器件。该项工作的第一作者为河南大学硕士研究生秦怀方，河南大学程纲教授、香港中文大学訾云龙博士、佐治亚理工学院王中林院士是本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图1. TENG-UDS的结构与工作原理示意图

(a) 单向开关式摩擦纳米发电机的结构示意图；

(b) PTFE薄膜表面RIE刻蚀后的AFM图；

(c-f) 单向开关式摩擦纳米发电机的工作原理示意图。

图2. TENG-UDS与TENG-WOS的输出特性与负载的关系

(a) 负载为20 MΩ时TENG-UDS的输出电流曲线及放大图；

(b) TENG-UDS在负载为1、10、50 MΩ的输出电压曲线；

(c) TENG-UDS与TENG-WOS的输出电压峰随负载变化的关系；

(d) TENG-UDS与TENG-WOS的输出电流峰随负载变化的关系；

(e) TENG-UDS与TENG-WOS的输出功率峰随负载变化的关系；

(f) TENG-UDS与TENG-WOS的输出能量随负载变化的关系。

图3. 基于TENG-UDS的无源电源管理电路

(a-b) 基于TENG-UDS的无源电源管理电路的两个能量转移阶段；

(c) 理论计算理想与非理想电感下电容C₂的电压与充电次数的关系；

(d) 理论计算理想与非理想电感下单个充电循坏存储的能量及能量存储效率与充电次数的关系；

(e) 理论计算理想与非理想电感下总存储能量及能量存储效率与充电次数的关系。

(f) 模拟的非理想电感下通过电感的电压随时间变化的关系；

(g) 模拟的非理想电感下第一个充电循环通过电感电压的放大图；

(h) 模拟的非理想电感下第一个充电循环通过二极管电压的放大图。

图4. 无源电源管理电路的能量转移过程及效果对比

(a) 测量得到的一个充电循环中通过电感的电流曲线、局部放大图；

(b) 测量得到的一个充电循环中通过电感的电压曲线；

(c) 测量得到的一个充电循环中通过电感的电压的局部放大图；

(d) 测量得到的一个充电循环中电感存储的能量；

(e) TENG-UDS转移的电荷量随充电次数的关系；

(f) TENG-UDS加入电源管理电路后转移的电荷量随充电次数的关系；

(g) 测量得到的加入电源管理电路前后电容C₂的电压；

(h) 测量得到的加入电源管理电路前后总的存储能量；

(i) 测量得到的加入电源管理电路前后总的存储能量效率。

图5. 无源电源管理电路的应用演示

(a) 基于TENG-UDS的无源电源管理电路驱动电子器件的电路图；

(b) 无源电源管理电路驱动商用电子表正常工作的实物图； 

(c) QLED器件的结构图；

(d) QLED器件的J-V-L曲线；

(d) 无源电源管理电路点亮QLED的实物图。

【小结】

本文研制了一种具有单向开关的摩擦纳米发电机，无需整流即可实现单向的电学输出。TENG-UDS可以在1 kΩ到1 GΩ的范围内保持输出电压和输出能量的最大化，不受负载电阻的影响，这和传统的PMC具有优良的阻抗失配。基于TENG-UDS，设计了一种结构简单、储能效率高的无源PMC，它由电感、二极管和电容器等无源电子元件组成。理论计算表明，此无源PMC的理论储能效率可以达到75.8%。在实际实验过程中，测得的储能效率可达48%。演示结果表明，采用此无源PMC可以驱动商用电子表和高亮度的QLED器件。基于TENG-UDS的无源PMC具有结构简单、能耗低、储能效率高等优点，为TENG的电源管理和实际应用提供了一种前景广阔的方法。

作者简介

秦怀方，男，1991年生，硕士研究生，现就读于河南大学特种功能材料重点实验室。研究方向是摩擦纳米发电机的输出特性调控及电源管理。

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文40余篇。主持国家自然科学基金3项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email：chenggang@henu.edu.cn

訾云龙，香港中文大学机械与自动化工程学系助理教授。2014年，在普渡大学获得物理学博士学位；2014-2017年，在佐治亚理工学院进行博士后研究，师从王中林院士；并与2017年加入香港中文大学创建微纳能源与智能系统实验室。訾博士目前的研究兴趣集中于摩擦发电机理的相关基础研究、摩擦发电器件的高电压应用、自供电系统、高效机械能量收集和存储技术等。他提出的一系列研究成果为摩擦发电器件的发展和应用奠定了基础，有望实现“自驱动系统”的目标。目前发表高水平论文60余篇，出版专著2部，申请国内外专利8项，引用2600余次。作为第一作者，他的研究成果发表在了Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Nano Energy等顶级期刊上。訾博士于2017年荣获“材料研究学会博士后奖”，是佐治亚理工学院的第一位获奖者；于2013年荣获普渡大学的“转型创造者”称号，并荣登普渡大学首页。

王中林，中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所创始所长和首席科学家、中国科学院大学纳米科学与技术学院院长，美国佐治亚理工学院终身校董事讲席教授、Hightower终身讲席教授。王中林院士是纳米科学与技术领域的著名科学家。他首次发明了纳米发电机和自驱动纳米系统技术，被誉为“纳米发电机之父”。他是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人，发明了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，首次提自驱动系统、海洋蓝色能源等原创科学概念，并将纳米能源称为“新时代的能源”。已在国际一流刊物上发表1500多篇论文（其中发表在Science、Nature及其子刊上的文章50余篇），拥有100项专利、7部专著和20余部主编书籍、会议文集。根据Google Scholar 的公开数据，王中林教授论文引用近19万次，标志影响力的H指数是216，在纳米科学与纳米技术领域总引用数和H指数排名世界第一。先后获得各类国际性重大奖项10余次，包括2018年“能源界诺贝尔奖”埃尼奖、2015年汤森路透引文桂冠奖、2011年美国材料学会奖章。

文献链接： High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit. (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805216)

网址链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201805216

本文由河南大学特种功能材料教育部重点实验室供稿，材料人编辑部编辑。

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