首页 > 行业资讯 > 重大王雪副教授、中科院纳米能源所王中林院士 Small：用于高效收集高熵能源的互利自激杂化纳米发电机

重大王雪副教授、中科院纳米能源所王中林院士 Small：用于高效收集高熵能源的互利自激杂化纳米发电机

时间：2022-11-12 来源：浏览：

重大王雪副教授、中科院纳米能源所王中林院士 Small：用于高效收集高熵能源的互利自激杂化纳米发电机

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#介电弹性体发电机 2 个

#摩擦纳米发电机 15 个

#互利 2 个

#自激励 2 个

点击蓝字关注我们

研究背景：

随着物联网时代的到来，大量的传感网络面临着严峻的供能挑战。基于传统高品质低熵能源（如煤、石油、天然气等）的“有序”电力供给方式已难以满足无处不在的分布式电子设备“随机”的能源需求。摩擦纳米发电机（ Triboelectric Nanogenerator, TENG ）和介电弹性体发电机（ Dielectric Elastomer Generator ， DEG ）都是可以有效将环境高熵能源转换成电能的发电装置，并且具有非常相似的能量转换机理，即都是可变电容式发电器件。然而，两者均面临一些瓶颈，严重制约了它们的实际应用。其中，摩擦纳米发电机的输出能量密度较低（正比于 TENG 表面电荷密度的平方），虽然近年来发展出来的电荷激励方法可以极大地提高 TENG 的表面电荷密度，但是 TENG 本身的结构决定了两摩擦层之间必须存在空气间隙，在高电压下会发生空气击穿，从而限制了 TENG 表面电荷密度的进一步提升。而 DEG 是将柔性电极直接附着到介电弹性体上，器件内部没有空气间隙，因而 DEG 可以实现极高的输出能量密度 ( 可高达 0.78 J/g) 。然而，要启动 DEG 工作必须额外提供一个外部极化电压，严重制约了它的实际应用。

内容概括：

针对以上问题，近日，重庆大学物理学院王雪副教授 / 中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士科研团队在《 Small 》期刊上发表了题为 “ A Mutual Boosting Self-Excitation Hybrid Cell for Harvesting High Entropy Energy at 32 % Efficiency ” 的文章（ DOI ： 10.1002/smll.202205704 ）。该团队创造性地将 TENG 与 DEG 并联加入一个自激电路（ SEC ），设计了一种互利自激杂化纳米发电机（ TDHG ）。通过系统研究该杂化纳米发电机的工作机制及输出性能，该团队发现 TENG 在机械激励下产生的电压可以作为 DEG 的偏置电压，而 DEG 无气隙的器件结构可以保证 TDHG 优越的能量输出。实验结果表明，这种 TDHG 的输出电荷相比传统的电荷激励型 TENG 提高了 5 倍，并且可以通过简单的机械触发实现 DEG 的连续工作 。更重要的是，由于 TENG 贡献的高峰值功率和 DEG 提供的长时间脉冲输出， TDHG 实现了优异的能量转换效率（高达 32% ），远超单个 TENG （ 3.6 % ）和 DEG （ 13.2 % ）。这项工作不仅对进一步推动 TENG 和 DGE 的实际应用具有重要意义，而且为面向低品质高熵能源转换的混合纳米发电机设计提供了一种新思路。

图文导读：

图 1 TDHG 的结构设计及工作机理： (A) TDHG 结构示意图； (B) DEG 和拱形 TENG 的照片； (C) 自激式 TDHG 的工作原理； (D) TDHG 在 Q-V 平面的能量收集循环； (E) 有无 TENG 时 TDHG 的电荷积累过程，插图分别表示 TENG 连接到电路前 (1) 和后 (2) 的电荷放大曲线。

图 2 TENG 、 DEG 和 TDHG 在 0.5 Hz 工作频率下的基本电学性能： (A) 工作过程示意图； (B) TENG 、 DEG 、 TDHG 连续运行下的电荷积累过程； (C) TENG 、 DEG 和 TDHG 虚线区域的输出电荷曲线； (D) DEG 在拉伸距离为 5 cm 时的升压过程； (E) TENG 、 DEG 和 TDHG 在不同激励电压下的转移电荷量； (F) TDHG 、 DEG 、 TENG 的动态电流； (G) 不同预拉伸比和 (H) 不同运动幅度对 DEG 输出电荷的影响； (I) 在 SEC 中采用不同的外部电容时 TENG 、 DEG 和 TDHG 的电荷。

图 3 TENG 、 DEG 和 TDHG 的电学性能稳定： (A) 稳压电路原理图； (B) 使用不同齐纳二极管时， TDHG 的转移电荷量； (C) TENG 、 DEG 和 TDHG 在 1600 V 稳压下的动态电荷变化过程； (D) TDHG 在最佳工况下的动态电流变化，右侧为放大曲线； (E) 稳压 TDHG 在不同工作频率下的电流； (F) 外部负载 50 MΩ 时， TDHG 在最优条件下的动态输出电压，右侧为放大曲线； (G) 稳压 TDHG 以 1 Hz 频率在不同外部负载下工作的输出电流和功率。

图 4 TDHG 的实际应用： (A) 电容器充电电路图； (B) 单个 TENG 、 DEG 、 TDHG 在 1Hz 频率下给 470 μF 电容充电的电压曲线； (C) TDHG 以 1 Hz 频率给不同电容 (1 、 100 、 470 μF 、 1 mF) 充电的电压曲线； (D,E) 驱动商用计算器 ( 频率 :1 Hz) ； (F,G) 驱动温湿度计 ( 频率 : 3 Hz) ； (H,I) 在明亮和黑暗的环境下，用 TDHG 在 1 Hz 频率下直接为 912 个绿色 LED 供电。

重庆大学硕士研究生邬俊、博士研究生刘文林、曾启煊为该论文的共同第一作者；重庆大学物理学院王雪副教授、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士为该论文的共同通讯作者。该研究得到科技部重点研发项目、国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等项目的资助。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202205704

相关进展

重庆大学王雪副教授Nano‑Micro Lett.封面：收集低速风能的纳米发电机

中科院纳米能源所王中林院士/王杰研究员课题组《Nat. Commun.》：通过抑制空气击穿评估介质材料摩擦电性能的通用标准化策略

中科院纳米能源所王中林院士、吴治峄课题组 Small：基于摩擦电-电磁混合能量收集器用于输电线路无线监测

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn