清華新聞網(wǎng)5月25日電 萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，各種分布式傳感器、可穿戴設(shè)備愈加普及，長(zhǎng)期穩(wěn)定的電能供給問(wèn)題成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。作為一種高效的低頻動(dòng)能收集技術(shù)，摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，簡(jiǎn)稱(chēng)TENG）被認(rèn)為是一種環(huán)境友好、極具潛力的分布式能源解決方案。但是，早期的摩擦納米發(fā)電機(jī)受制于摩擦介電材料的表面電荷密度較低，靜電感應(yīng)電流有限，輸出性能有待提高。為了提高表面電荷密度，通常的方法集中在材料選擇、表面改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及環(huán)境控制等方面，但性能提升有限。
最近興起的電荷泵技術(shù)有望進(jìn)一步提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，然而，大多數(shù)電荷泵技術(shù)都是基于輸出性能并不高的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)且缺少必要的輸出管理電路。同時(shí)，接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)需要較高的驅(qū)動(dòng)頻率，其輸出的電壓/電流波形為脈沖形式，不利于實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)有效輸出。因此，探索新的電荷密度增強(qiáng)機(jī)制與方法具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
圖1 滑移式電荷泵結(jié)構(gòu)與工作原理圖
近日，由清華大學(xué)機(jī)械工程系季林紅教授、程嘉副研究員與中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作的科研團(tuán)隊(duì)提出一種新型滑移式電荷泵技術(shù)，可顯著穩(wěn)定摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與提高輸出電流。該技術(shù)基于電荷泵的思想，利用滑移式可變電容器與固定電容間的電荷來(lái)回流動(dòng)以對(duì)外輸出電能。通過(guò)電源管理模塊來(lái)提高可變電容器極板電壓以存儲(chǔ)更多電荷，在降低輸出電壓的同時(shí)提高輸出電流。利用該電荷泵技術(shù)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓的波動(dòng)可降低63.9%，且輸出電流可提高43.4%，實(shí)現(xiàn)了1328μC m-2的超高表面電荷密度，可在2.5Hz低頻條件下持續(xù)驅(qū)動(dòng)468個(gè)LED燈、電子表和傳感器等小功率電子元器件。該技術(shù)對(duì)于探索提高摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的新型機(jī)制與方法具有重要指導(dǎo)與借鑒意義。
圖2 滑移式電荷泵電學(xué)特征與應(yīng)用
相關(guān)研究成果以“用于滑移式摩擦電納米發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓增流的電荷泵技術(shù)”（Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current）為題于5月18日在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上在線(xiàn)發(fā)表。
清華大學(xué)為論文第一單位。論文第一作者為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）博士研究生楊澤（清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)），清華大學(xué)機(jī)械系季林紅教授、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、清華大學(xué)機(jī)械系程嘉副研究員為論文共同通訊作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101147
供稿：機(jī)械系
編輯：李華山
審核：呂婷
