王中林院士Nano Energy：串列圆盘式纳米发电机实现“蓝色能源”器件性能新突破

【引言】

水是生命之源，是生物体最主要的成分之一。地球表面约70%的面积都被水覆盖，水深刻影响着地球的天气系统、地表形态等。水污染是当今人类面临的最严重的环境问题之一。为了有效检测、分析和控制水污染，需要开发能够原位实时工作的水质检测系统。其中，提供低成本和可持续的电力供应是一个亟待解决的关键问题。太阳能电池是目前的主要解决方案之一，但是其性能受天气、昼夜交替等因素强烈影响。王中林院士于2012年提出的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）为解决这个问题提供了新的思路。摩擦纳米发电机具有重量轻、材料选择丰富、结构灵活、易于制造、成本低等优点。它可以有效收集低频的机械能，因此可以用于收集水体本身蕴含的丰富机械能—波浪能，并进行供电。采用TENG及其网络收集波浪能的概念最早由王中林院士于2014年提出，通过TENG将不规则的低频波浪运动转化为电能，并基于大规模的TENG网络收集大面积海域的波浪能量，将可能成为一种非常有前景的波浪能量收集技术方案，可以为包括水质监测系统在内的各种海洋设备提供电能供给，并且有可能实现一种清洁可再生的优质能源。

【成果简介】

近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通迅作者）的指导下，博士生白钰、许亮副研究员、贺川副教授（共同一作）等人提出了一种可扩展的串列圆盘式摩擦纳米发电机（Tandem disk triboelectric nanogenerator, TD-TENG），实现了高性能的波浪能收集，并应用于自驱动水质监测。一般而言，旋转圆盘栅格结构是一种高性能的TENG结构设计，可以将低频的机械驱动转化为高频的电能输出，但此结构由于盘间较大的摩擦力而难以应用于低频波浪能收集等场合。在此项工作中，研究团队采用了一种易于实现的表面结构，在保证摩擦起电性能的同时有效降低了摩擦阻力，使得器件能够很好响应低频的波浪驱动，并极大提升了器件的耐久性。采用串列结构设计可在单个器件中集成多个圆盘栅格单元，通过摆式结构可有效吸收波浪的低频机械能，并输出高频的电能，实现了“蓝色能源”器件性能的新突破。在0.58 Hz的低频波浪驱动下，最大峰值功率和平均功率分别达到了45.0 mW和7.5 mW，大约是典型球壳结构器件的35倍和24倍，TENG核心结构的最大平均功率密度也达到了7.3 W m^-3。此外，基于器件的高频输出，通过简单的电源管理电路，可将短路电流提升到11 mA，相比已报道的数十或者数百微安级别的电流有了很大的提升。该研究还展示了基于该器件构建的自驱动水中溶解固体总量（Total dissolved solids, TDS）测试系统，单个TENG器件即可驱动能耗较大的TDS传感器。该自驱动水质监测系统可进一步扩展成网络，用于大面积海域的实时原位水质分布及演化的监控。该工作展示了通过收集周围水体能量实现各种自驱动免维护的海洋传感平台的广阔前景，为智慧海洋、环境保护等领域提供了一种基础支撑技术。

 【图文导读】

图1 器件结构和工作原理

a) 自驱动水质监测系统示意图。b) TD-TENG总体结构。c) TD-TENG的侧视图和正视图。d) TD-TENG的材料构成。e) 定子和转子的照片以及SEM图像。f) TENG单元的工作原理。

图2 相对旋转运动下TD-TENG的电学输出

a) 转子和定子的运动状态示意图。b, c) 集成不同数量的TENG单元时，器件的(b)短路电流和(c)转移电荷量。d-f)一个周期内TD-TENG的(d)开路电压、(e)短路电流和(f)转移电荷量。(b-f) 的测试条件为幅值30 mm和频率0.75 Hz。g) TD-TENG在不同频率下的输出。h) TD-TENG在不同幅值下的输出。

图3 转子自由摆动时TD-TENG的电学输出

a) 转子和定子的运动状态示意图。b-e) TD-TENG的转子和定子在不同幅值下的(b, c, d)电学输出和(e)相对角位移。f-i) TD-TENG的转子和定子在不同频率下的(f, g, h)电学输出和(i)相对角位移。j) TD-TENG在各种负载下的峰值电流、峰值功率和平均功率。k) TD-TENG给不同电容器充电的性能。

图4 TD-TENG网络在水中的优化

a, b) 水中连接的TD-TENG的示意图。c) TD-TENG在水中的工作原理。d) 在各种水波频率下，采用不同连接位置的TD-TENG的短路电流。e) 在各种水波频率下，采用不同底部质量块的TD-TENG的短路电流。

图5 水中TD-TENG的电学输出。

a-c) TD-TENG在水中的(a)开路电压、(b)短路电流和(c)转移电荷量。d) TD-TENG在水波驱动下给不同电容器充电的性能。e) 不同负载下，TD-TENG的峰值电流、峰值功率和平均功率。f) TD-TENG在水波驱动下点亮600盏LED灯。波浪频率为0.58Hz。

图6 TD-TENG电源管理及自驱动水质监测

a) TD-TENG为电子设备供电的电路图。b, c) TD-TENG经过变压后的(b)开路电压和(c)短路电流。d) 有无变压时，TD-TENG的开路电压和短路电流的对比。e) 有无变压时，TD-TENG给电容充电的电压变化对比。f) TD-TENG驱动TDS传感器的照片。放大的图片为实际的电源管理电路。g) 由TD-TENG驱动TDS传感器的电容电压曲线。h) 自驱动的原位水质分布监测的示意图。插图为阵列的俯视图。波浪频率为0.58 Hz。

【小结】

这项工作中，研究团队提出了一种可扩展的摆式串列圆盘摩擦纳米发电机，用于水波能收集，在优化摩擦表面结构的基础上，实现了低频机械驱动下的高频电学输出。在0.58 Hz低频水波驱动下，最大峰值功率和平均功率分别达到45.0 mW和7.5 mW，核心器件的平均功率密度达到7.3 W m^-3，实现了“蓝色能源”器件性能的新突破。同时，通过电源管理可将输出电流提升至11 mA，并应用于自驱动水质监测。该工作展示了通过收集周围水体能量实现各种自驱动免维护的海洋传感平台的广阔前景，为智慧海洋、环境保护等领域提供了一种基础支撑技术。

文献链接：High-performance triboelectric nanogenerators for self-powered, in-situ and real-time water quality mapping (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104117, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308249)

相关论文：

Catch wave power in floating nets  (http://www.nature.com/news/catch-wave-power-in-floating-nets-1.21426)

Coupled triboelectric nanogenerator networks for efficient water wave energy harvesting (https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.7b08674)

Macroscopic self-assembly network of encapsulated high-performance triboelectric nanogenerators for water wave energy harvesting  (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302496)

Integrated triboelectric nanogenerator array based on air-driven membrane structures for water wave energy harvesting  (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516305316)

本文由中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队供稿。

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