河南大学：用于高效自驱动系统的集成同步触发机械开关的转动式脉冲摩擦纳米发电机

来源：材料人

引言

物联网的发展需要数以十亿计的传感器。这些传感器需要合适的、可持续的能源供应。通过从环境中收集机械能并高效的转化为电能，摩擦纳米发电机（TENG）被用来发展自驱动传感系统。然而，TENG具有输出电压高、电流低的特点，因此需要合适的电源管理电路将其输出转化为稳定的低电压、大电流形式。但是，TENG的内部等效阻抗（1-100 MΩ）远大于电管管理电路的等效阻抗（一般小于1 kΩ），导致TENG的能量无法转移到电源管理电路中。在之前的工作中，程纲课题组通过引入同步触发机械开关（STMS），发展了脉冲TENG（Pulsed-TENG）。STMS的引入降低了TENG的内部等效阻抗，实现了最大化的输出能量。然而，由于难以实现适合的STMS，转动式Pulsed-TENG的报道很少。而相对于其它工作模式，转动式TENG具有更高的输出性能、稳定性和耐久性。因此，实现旋转Pulsed-TENG对自驱动系统的发展具有重要意义。

【成果简介】

近期，程纲教授课题组的研究成果“Rotational Pulsed Triboelectric Nanogenerators Integrated with Synchronously Triggered Mechanical Switches for High Efficiency Self-Powered Systems”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。在本文中，我们报道了基于与电极层同步制备的STMS的转动式独立摩擦层脉冲TENG（RF-Pulsed-TENG）。通过印刷电路板（PCB）工艺，一步制备了TENG的电极层和机械触发开关，简化了TENG的制备，提高了稳定性和耐久性。通过合理的设计，实现了交流（AC）、单向（UDC）两种输出形式的RF-Pulsed-TENG。由于STMS的开-关状态可以与TENG的转速匹配，RF-Pulsed-TENG的输出电压和输出能量可以始终保持最大化，而不受转速和负载阻抗的影响。通过合理的设计，实现了交流（AC）、单向（UDC）两种输出模式的高效转动Pulsed-TENG，它们对应的电源管理电路的能量存储效率分别为51.6%和52.0%。结合齿轮箱和无源高效电源管理电路，新型的转动式Pulsed-TENG展现出了在收集真实环境中杂乱无章的机械能方面的优势，且可以驱动一系列电子器件供电，例如计算器、电子表和温湿度计等，在基于TENG的自驱动传感系统方面展现出很好的应用前景。博士生尚婉玉和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

图1. 传统旋转独立摩擦层模式的TENG，AC和UDC RF-Pulsed-TENG的具体结构。

(a) 转动式TENGs的结构示意图。

(b) 转动式TENG的摩擦层表面的俯视图。

(c) 极板背面的接线方式：(i)、(ii) 传统转动式TENG的背面接线图；(iii)、(iv) AC RF-Pulsed-TENG的背面接线图；(v)、(vi) UDC RF-Pulsed-TENG的背面接线图。

图2. 三种转动式TENG的工作原理示意图。

(a) 传统转动式TENG的工作原理。

(b) AC RF-Pulsed-TENG的工作原理。

(c) UDC RF-Pulsed-TENG的工作原理。

图3. 三种转动式TENG在不同转速下的输出性能。

100 MΩ负载下，传统转动式TENG在不同转速时的输出电压(a)，输出电流(b)和短路转移电荷量(c)。

100 MΩ负载下，AC RF-Pulsed-TENG在不同转速时的输出电压(d)，输出电流(e)和短路转移电荷量(f)。

100 MΩ负载下，UDC RF-Pulsed-TENG在不同的转速时的输出电压(g)，输出电流(h)和短路转移电荷量(i)。

(j)和(k) 100 MΩ负载下，转速为240 rpm，UDC RF-Pulsed-TENG长时间的输出电流峰值及曲线。

图4.由齿轮箱、UDC RF-Pulsed-TENG和电源管理电路组成的自驱动系统。

(a)齿轮箱和UDC RF-Pulsed-TENG的示意图。

(b)齿轮箱的工作过程: (i)静态，(ii)拉伸，(iii)发条拉满，(iv)释放。

(c)不同拉线长度下UDC RF-Pulsed-TENG在100 MΩ负载电阻下的输出电流。

(d) Pulsed-TENGs的实物图，插图是STMSs的放大图。

(e) UDC RF-Pulsed-TENG有无电源管理电路对10 μF电容的充电曲线，插图是手拉线的过程。

(f) UDC RF-Pulsed-TENG经无源电源管理电路驱动电子表时电容的电压曲线。

(g) 用脚驱动齿轮箱，驱动计算器(h)和温度/湿度计(i)的照片。