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一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统

由于全球环境污染和化石燃料的枯竭日趋严重,开发新一代的绿色能源转换和存储技术成为了缓解化石能源过度消耗的关键。另外,随着社会和经济的发展,人们越来越关注物联网 (IoT),并且对物联网的关键技术也进行了广泛而深入的研究。为了满足物联网发展的紧迫需求,从周围环境中收集能量为与传感器网络相关联的物联网供电是一种有前途的方法。值得一提的是,TENG在低频和低振幅等微机械能量方面具有较好能量转化效果,同时,TENG 具有多种工作模式(如:垂直接触分离模式,单电极模式,水平滑动分离模式,独立层模式),可以满足不同类型的机械能转化,并且TENG具有制作成本低,工艺简单,结构设计多元化,制备材料来源广泛等优点。除了在能源转化方面的独特优势,TENG还可以作为自驱动的传感器。但是大多数TENG的输出性能容易受到许多复杂条件的影响,包括TENG器件本身的耐磨性,抗压强度,耐腐蚀性,封装气密性等,以及使用环境的温度,湿度,腐蚀性气体等。

    近日,浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所纳米能源研究团队联合浙江大学材料科学与工程学院、西南大学电子信息工程学院,设计出一种基于刚柔并济设计思想的高强度摩擦纳米发电机,并开发了一套基于摩擦纳米发电机、能源管理电路、MnSe电容器的能源转化与存储系统。这项研究发表在国际著名期刊 Nano Energy (IF: 15.548)上,论文题目为“A high strength triboelectric nanogenerator based on rigid-flexible coupling design for energy storage system”。论文第一作者为浙江大学海洋学院2019级博士研究生夏克泉,共同第一作者为浙江大学材料科学与工程学院2016级博士研究生汤海潮,通讯作者为浙江大学海洋学院徐志伟教授、浙江大学材料科学与工程学院吕建国研究员、西南大学电子信息工程学院朱智源教授,合作者包括硕士研究生傅疆铭,博士研究生田阳等。浙江大学海洋学院为第一研究单位。

    在这项工作中,本文首次提出了一种基于刚柔并济设计的新型摩擦纳米发电机(RF-TENG),利用丙烯酸酯胶(ASG)和硅酸凝胶(SAG)作为摩擦电对,并且使用泡沫镍作为导电电极。通过对泡沫镍的简单的涂覆制备出全封装的单片ASG和SAG摩擦电层。

    值得一提的是,单片ASG和SAG摩擦电层分别是刚性和柔性的,这种刚柔并济的耦合设计,在摩擦过程中带来了更有效的接触,并通过有限元仿真证明了这一优点。相比于以往研究中的多层结构的TENG,所提出的RF-TENG具有更实用的价值,比如:耐腐蚀,防潮,高强度,耐磨损等,可以在恶劣环境下工作。经过实验测试,在5 Hz频率下,尺寸为3 cm × 3 cm的RF-TENG产生的开路电压和短路电流可达345 V和42 μA,功率密度可以达到143 μW/cm2,通过一个全波整流桥可以轻松点亮122个商用LED灯。考虑到RF-TENG的近一步实用性,研究人员设计了一套基于摩擦纳米发电机、能源管理电路、MnSe超级电容器的能源转化和存储系统。RF-TENG产生的电能通过LTC-3588芯片为MnSe超级电容器充电,经过LTC-3588芯片可以交流电整流成恒定的直流输出,实验结果表明,充电效率得到了明显提升。

一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统 图1:(a) 机械冲击系统的示意图; (b, c) 在不同的机械冲击次数下,泡沫镍、ASG层、SAG层的厚度变化;(d, e) ASG层和SAG层的应力应变图,插图:样品的测试状态和应力应变测试系统的图片;(f) 镍泡沫的塑性变形和 (g) SAG层的弹性变形。

一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统图2:ASG和SAG摩擦电序列测试,(a–c) 基于不同的摩擦电对ASG @ PTFE,SAG @ PTFE和ASG @ SAG的开路电压(Voc),短路电流(Isc)和转移电荷(Q)的测量值;(d) RF-TENG的工作机制。

一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统图3:(a, b) RF-TENG的IscVoc以不同的频率工作(间隔距离:4 mm);(c, d) RF-TENG的IscVoc在不同的分离距离(接触频率:5 Hz)下工作;(e,f) RF-TENG的IscVoc (接触频率:5 Hz);(g, h) RF-TENG在不同负载电阻下的输出电压,输出电流和输出功率;插图:RF-TENG的转移电荷;(i) RF-TENG的可靠性测试。

一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统图4:(a) 工作频率为2 Hz的RF-TENG的Isc和整流后的Isc,插图:能量管理电路图。(b) 在工作频率为5 Hz的不同电容器 (1 μF,4.7 μF,10 μF)上测得的电压。(c) 在1 μF电容上测得的电压, 插图:点亮的LED照片。(d) TENG在各种频率 (5 Hz,7 Hz,9 Hz)下对电容充电的充电曲线。(e) RF-TENG通过全波整流桥驱动的122个商用LED的照片。

一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统图5:MnSe-SC的性能测试; (a) MnSe-SC的Bode曲线,插图:MnSe-SC的示意图; (b) 在各种扫描速率 (100–500 mV /s)下,MnSe-SC的CV曲线; (c) MnSe-SC在不同充电/放电速率(10–40 mA)下的恒电流充电/放电(C/D)曲线; (d) MnSe-SC的EIS, 插图:MnSe-SC的图片;(e)能量转换和存储系统的示意图。

一种基于刚柔并济设计的高强度摩擦纳米发电机用于能源存储系统图6:(a–c) 能量存储的电源管理电路 (PMC); (d,e) PMC 2和PMC 3开路情况下的输出电压信号;插图:PMC 2和PMC 3的恒定输出电压信号; (f) 通过PMC 1-3充电MnSe-SC的充电曲线; (g) 在10 Hz至20 Hz的频率下通过PMC 2充电的MnSe-SC的充电曲线;(h) RF-TENG在不同负载电阻(0.01 KΩ – 1 MΩ)下的输出电压;(i) 带有PMC 2的RF-TENG在不同负载电阻 (0.01KΩ-1MΩ)下的输出电压。

Kequan Xia, Haichao Tang, Jiangming Fu, Yang Tian, Zhiwei Xu, Jianguo Lu, Zhiyuan Zhu, A high strength triboelectric nanogenerator based on rigid-flexible coupling design for energy storage system, Nano Energy, 2019, DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104259

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参考文献:Nano Energy

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