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清華大學機械系智能與生物機械實驗室AEM:滑移式電荷泵穩壓增流技術提升摩擦納米發電機性能

萬物互聯的物聯網時代已經到來,各種分布式傳感器、可穿戴設備愈加普及,長期穩定的電能供給問題成為制約產業發展的關鍵瓶頸。作為一種高效的低頻動能收集技術,摩擦納米發電機(Triboelectric Nanogenerator,簡稱TENG)被認為是一種環境友好、極具潛力的分布式能源解決方案。但是,早期的TENG受制于摩擦介電材料的表面電荷密度較低,靜電感應電流有限,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、結構設計以及環境控制等方面,但性能提升有限。最近興起的電荷泵技術有望進一步提高TENG的輸出性能,然而,大多數電荷泵技術都是基于輸出性能并不高的接觸分離式TENG且缺少必要的輸出管理電路。同時,接觸分離式TENG需要較高的驅動頻率,其輸出的電壓/電流波形為脈沖形式,不利于實現電能的持續有效輸出。因此,探索新的電荷密度增強機制與方法具有重要的科學研究意義和工程應用價值。

近日,由清華大學機械工程系季林紅教授、程嘉副研究員與中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作的科研團隊提出了一種新型滑移式電荷泵技術,可顯著穩定TENG的輸出電壓與提高輸出電流。該技術基于電荷泵的思想,利用滑移式可變電容器與固定電容間的電荷來回流動以對外輸出電能。通過電源管理模塊來提高可變電容器極板電壓以存儲更多電荷,在降低輸出電壓的同時提高輸出電流。利用該電荷泵技術,TENG的輸出電壓的波動可降低63.9 %,且輸出電流可提高43.4 %,實現了1328 μC m-2的超高表面電荷密度,可在2.5Hz低頻條件下持續驅動468個LED燈、電子表和傳感器等小功率電子元器件。該技術對于探索提高TENG輸出性能的新型機制與方法具有重要指導與借鑒意義。

相關研究論文以題為“Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current”于2021年5月18日在國際期刊《Advanced Energy Materials》上在線發表。

論文網址鏈接:https://doi.org/10.1002/aenm.202101147.

圖1 滑移式電荷泵結構與工作原理圖

圖2 滑移式電荷泵電學特征與應用

清華大學為論文第一單位,論文第一作者為中國地質大學(北京)博士研究生楊澤(聯合培養),清華大學季林紅教授為研究團隊總負責人,季林紅教授、王中林教授、程嘉副研究員為論文共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金(52075286, U1613207)、國家重點研發計劃(2018YFF0300606)等項目的資助。

論文信息:

Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current

Ze Yang, Yiyong Yang, Hao Wang, Fan Liu, Yijia Lu, Linhong Ji*, Zhong Lin Wang*, and Jia Cheng*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101147

期刊簡介:

《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)是Wiley出版社旗下材料科學領域知名期刊之一,專注發表納米技術、化學、物理、生物等應用領域中有關能源研究領域最前沿的科學發現與進展。最新影響因子為IF=25.245,中科院2020年SCI期刊分區材料科學大類Q1區、工程技術大類Q1區。


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