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王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机

【本文亮点】

(1)提出了一种浮置层结构,可以积累并束缚超高密度电荷,用于静电感应;

(2)设计了一种电荷泵,可以持续地向浮置层中泵送电荷;

(3)在普通环境条件下,基于浮置层结构和电荷泵的电荷自泵浦TENG集成器件实现了1020μC/m^2的超高有效表面电荷密度;

(4)这项工作提出了一个简单而普遍的策略,可以大幅提高TENG的电荷密度以及输出。

王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机

【引言】

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator, TENG)的工作原理基于摩擦起电及静电感应效应。表面电荷密度对于摩擦纳米发电机的性能至关重要。一般而言,TENG的输出功率与表面电荷密度呈二次方关系。在一定的接触或摩擦强度下,电荷密度主要受限于两个方面的因素:一是具有一定表面形貌的摩擦材料配对的摩擦起电能力,二是由气隙击穿引起的电荷损失。现有已提出了基于材料选择、表面改性、结构优化或环境控制等多种方法以提高电荷密度,但是这些方法仍存在着很多方面的限制,在电荷稳定性上还存在问题,或在封装等方面提出了较高的要求。

【成果简介】

近日,在中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林院士和张弛研究员(共同通迅作者)的带领下,许亮博士和布天昭等人组成的研究团队为提高TENG器件的电荷密度,设计了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的电荷自泵浦摩擦纳米发电机(self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG)器件。所设计的浮置层结构可以积累并束缚超高密度电荷,并产生静电感应效应,电荷泵浦可以持续地向浮置层中泵送电荷,基于两者的SCP-TENG器件在普通环境条件下,实现了1020μC/m^2的超高有效表面电荷密度,达到了空气击穿电荷密度阈值的4倍左右,创造了新的电荷密度记录。更为重要的是,这项工作提出了一个简单而普遍的大幅提高TENG的电荷密度以及输出的策略,使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度,因此,在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力。由于电荷密度的提升不再依赖于更强烈的摩擦,也解决了摩擦生热及器件耐久性的问题。在电磁式发电机中,广泛采用的电磁铁通过电流激发磁场,与此相似,本工作提出采用注入束缚电荷来取代摩擦静电荷而激发电场,这一思想将可能对TENG性能的提升产生重要影响。相关成果以“Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators”为题发表在了Nano Energy上。

【图文解析】

王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机

图1 器件结构和工作原理 

(a)电荷泵浦原理示意图;

(b)带有泵浦TENG的浮置层结构的工作过程;

(c)器件及负载之间能量传输的示意图;

(d)电荷自泵浦TENG(SCP-TENG)集成器件的结构示意图;

(e)制作的SCP-TENG器件的结构和材料的爆炸视图;

(f)制作的SCP-TENG的照片;

(g)泵浦TENG的介电层表面上制备的纳米结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。

王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机

图2 浮置层结构的理论模型

(a)对应的常规TENG的结构示意;

(b)浮置层结构器件的结构示意和电容模型。

王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机图3 采用电压源进行初始化的浮置层结构的电输出特性

(a)在不同初始化电压下的短路转移电荷量,插图为实验电路;

(b)初始化电压为250 V时的短路电流;

(c)不同电阻负载下的输出电流、电压和峰值功率;

(d)不同初始化电压下的电荷输出随时间的衰减。

王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机图4 SCP-TENG的电学输出特性 

(a)不同尺寸泵浦TENG的短路转移电荷量;

(b)处于接触状态下的浮置层在电荷泵浦下的电压变化;

(c)带有不同尺寸泵浦TENG的SCP-TENG的短路转移电荷量的增强过程;

(d-f)SCP-TENG的典型短路电流、整流电压和转移电荷量;

(g)采用4×4cm2泵浦TENG的SCP-TENG的泵送电荷量及输出转移电荷量,插图为放大图和测量电路;

(h)本工作在普通环境条件下实现的超高电荷密度及与现有其它工作的比较。

王中林院士Nano Energy:电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机

图5 SCP-TENG驱动应用负载的展示 

(a)直接驱动600个LED灯;

(b)直接驱动LED大灯珠;

(c)用于给电容充电并驱动电子设备的电路示意图;

(d)SCP-TENG对不同电容的充电性能;

(e,f)SCP-TENG驱动无线发射器的照片和充-放电曲线;

(g,h)SCP-TENG为风速计(g)和温度计(h)供电的充放电曲线,插图分别显示了被驱动的风速计和温度计。

 【总结与展望】

本文提出了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的SCP-TENG器件。通过浮置层结构积累并束缚超高密度电荷,采用电荷泵浦持续高效地向浮置层中泵送电荷,在普通环境条件下实现了1020μC/m^2的超高有效表面电荷密度,创造了新的电荷密度记录。更重要的是,与其他电荷密度增强方法相比,这种方法容易实现且十分稳定,使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度,因此,在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力,为提升TENG器件的电荷密度以及输出性能提供了一个重要而普遍的策略。

Liang Xu, Tian Zhao Bu, Xiao Dan Yang, Chi Zhang, Zhong Lin Wang, Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators, Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.011.

 

【团队介绍】

王中林院士:中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士,佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授,工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部“千人计划”顶尖千人与团队入选者,教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉:美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖,2011年美国材料学会奖章(MRS Medal),2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖,2013 ACS Nano 讲座奖,2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖,2013中华人民共和国国际科学技术合作奖,2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖,2014年NANOSMAT奖,2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow,美国材料学会 fellow,美国显微学会fellow,美国陶瓷学会fellow,英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日,汤森路透集团(THOMSONREUTERS)发布了2015年度引文桂冠奖(CitationLaureates)获奖名单(诺贝尔奖风向标)。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一,也是此年度该奖项唯一的华人获奖者。2017年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上,王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献,而荣获2016年度先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河,对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文(其中,《科学》、《自然》、及其子刊40余篇),拥有200余项专利,7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他是Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

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