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【Science Advances】人工產生并收集“閃電”——新一代恒流摩擦納米發電機
發表日期: 2019-04-08 文章來源:
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  摩擦起電和靜電是一種非常普遍的現象,由于它很難被收集和利用,往往是被人們所忽略的一種能源形式。自從2012年王中林教授發明摩擦納米發電機(TENG)以來,全世界的學者從各個方面對TENG進行了廣泛的研究。TENG作為一種能源器件得到實際應用的關鍵在于進一步提高功率密度,其核心在于摩擦電荷密度的提高。摩擦電荷密度作為摩擦納米發電機的核心性能指標之一,TENG問世七年以來,科研工作者在摩擦材料選擇、表面修飾與改性等方面做了大量研究以提高摩擦電荷密度。王杰研究員和王中林教授團隊通過碎片化和柔性接觸方法將TENG的摩擦電荷密度從30 μC m-2 提高到近300 μC m-2Nature communications 2016,7,12744),但是該電荷密度仍然受限于空氣擊穿,隨后在高真空環境中實現了1003 μC m-2的超高電荷密度(Nature communications 2017,8,88)。但通常情況下,摩擦納米發電機工作在大氣壓環境下,因此這里大部分電荷密度通過空氣擊穿釋放掉了,如果將這部分空氣擊穿的能量收集起來,不僅可以提高摩擦納米發電機的輸出性能,而且也是對摩擦納米發電機的重新認識,對于更好地理解和利用摩擦納米發電技術具有重要意義。 

  傳統的摩擦納米發電機具有兩個與生俱來的特點:交流電輸出和脈沖特性。因此,通常摩擦納米發電機不能直接驅動電子器件。傳統的做法是外接全波整流橋和能量存儲單元才能得到穩定的直流電輸出,這不利于構建微型化的自驅動系統。而且,摩擦納米發電機的脈沖輸出具有比較高的損耗因子(定義為電流峰值與其均方根的比值),這在一定程度上影響了它用于能量存儲和驅動電子器件的效率。 

  201945日,中科院北京納米能源與系統研究所王杰研究員和王中林院士等人在Science Advances 上發表了題為 “A constant current triboelectric nanogenerator arising from electrostatic breakdown的研究論文(http://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav6437),中科院北京納米能源與系統研究所劉迪博士生、尹星博士生和佐治亞理工學院郭恒宇博士后為論文共同第一作者。 

  該論文報道了一種基于摩擦起電和介質擊穿的新一代摩擦納米發電機,首次實現了基于摩擦起電和空氣擊穿的恒流電輸出,基本原理類似于人工產生和收集“閃電”的能量。同時,摩擦電荷密度高于大氣環境下受限于空氣擊穿的傳統摩擦納米發電機的電荷密度。這一新穎的直流摩擦納米發電機已經被證實可以直接驅動電子器件不需要外接整流橋或能量存儲單元。研究結果不僅有利于推動用于可穿戴電子和物聯網系統的自驅動系統小型化,而且為高效收集機械能提供了新的范例。 

1. 直流摩擦納米發電機。 (a)恒流摩擦納米發電機的工作原理,(b) TENG的恒電流輸出,(c) 該滑動該TENG直接驅動電子手表(無整流和儲能單元)。

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