北京大学Nano Energy：基于单方向堆叠结构的超灵敏摩擦纳米发电机结合低损耗能量管理收集环境中的微弱能量

【引言】

为了满足便携式、无线电子器件的能源需求，环境中的能量转化越来越重要。目前存在的大型工业设备技术已经能够转化环境中风能、潮汐能等各种大型的能量。然而，对于环境中小幅度、低频率能量的收集技术一直进展缓慢, 这是因为这种微弱能量的收集技术对灵敏度和效率有更高的要求。因此，需要更加有效的技术来转化这种有限的能量。最近，高效、结构简单的摩擦纳米发电机（TENG）的出现，为解决上述问题提供了契机。研究人员通过结构设计和力学分析，构建了一种超灵敏、高效多层结构的摩擦纳米发电机，结合低损耗的能量管理设计能够有效地收集环境中的微弱能量。

【成果简介】

近日，北京大学信息科学技术学院胡又凡研究员（通讯作者）课题组以铜（Cu）覆盖的氟化乙丙烯（FEP）薄膜在垂直方向上交错堆叠的方式构建了一种超灵敏的摩擦纳米发电机。由于独特的结构设计，每个相邻薄膜之间发生摩擦起电和静电感应从而使得产生的转移电荷至少提高50%。同时，通过减轻重量和弹簧悬浮结构大大提高器件的灵敏度。结合基于结型场效应晶体管(JFET)的线性稳压调节电路，可以实现低损耗能量管理。该研究成果以“Ultrasensitive Triboelectric Nanogenerator for Weak Ambient Energy with Rational Unipolar Stacking Structure and Low-Loss Power Management”为题发表在Nano Energy上，博士研究生赵至真为第一作者。

【图文导读】

图1. 超灵敏多层TENG的制作和工作机理

1. 两块亚克力板作为基底，一块设置为固定底板而另一块通过弹簧悬浮在底部固定的亚克板上；
2. 两组Cu-FEP薄膜交错堆叠在基底上;
3. 含4层Cu-FEP膜的超灵敏TENG示意图;
4. 超灵敏TENG的截面图;
5. Cu-FEP薄膜上微结构的示意图和AFM图;
6. 超灵敏TENG的实物图;
7. 含4层Cu-FEP薄膜的超灵敏TENG工作过程示意图;
8. 单方向堆叠结构的TENG器件理论模型。

图2. 超灵敏TENG的表征

1. 含2，4和6层Cu-FEP薄膜的超灵敏TENG在8 Hz频率下的开路电压；
2. 含2，4和6层Cu-FEP薄膜的超灵敏TENG在8 Hz频率下的短路电流；
3. 含6层Cu-FEP薄膜的超灵敏TENG在6~9 Hz不同频率下的开路电压；
4. 含2层Cu-FEP薄膜的超灵敏TENG在6~9 Hz不同频率下对4.7μF电容从0 V充到10 V的充电曲线；
5. 含4层Cu-FEP薄膜的TENG在6~9 Hz不同频率下对4.7 μF电容从0 V充到10 V的充电曲线;
6. 含6层Cu-FEP薄膜的TENG在6~9 Hz不同频率下对4.7μF电容从0 V充到10 V的充电曲线;
7. 电荷转移速率和Cu-FEP薄膜层数的线性拟合；
8. 不同薄膜层数的超灵敏TENG对电容的充电能量对应时间的曲线；
9. 电容存储的能量除以Cu-FEP薄膜的层数。

图3. 超灵敏TENG的机械运动研究

1.  超灵敏TENG中悬浮部分运动被拆解为平移x(t) 和旋转θ(t) 两种运动过程；
2.  在同样机械能输入下的平移和旋转运动对应在COMSOL中的模拟开路电压结果；
3.  表征有不同转动惯量TENG电学性能的实验设置示意图；
4.  为了改变转动惯量，一组相同的Cu块放在TENG不同的位置上；
5.  在相同的实验激励条件下， Cu块放在1位置时，TENG的开路电压；
6.  在相同的实验激励条件下， Cu块放在2位置时，TENG的开路电压；
7.  Cu块放在1位置和2位置时，TENG给电容充电的电压比较；
8.  Cu块放在1位置时，TENG开路电压的频谱分析；
9.  Cu块放在2位置时，TENG开路电压的频谱分析。

图4. 低损耗能量管理电路，DCTN-1

1.  能量管理电路的电路图；
2. 能量管理电路的实物图；
3. 相同输入条件下，输出电压被稳压到1.5 V，3.3 V，4.5 V，5 V和6 V；
4. 对比DCTN-1和LTC®3588-1在带1MΩ负载电阻下的输出电压；
5. 相同输入条件下，机械表和电子表经过DCTN-1的输出电压；
6. 相同输入条件下, 电容存储的电压；
7. 在满足机械表运行的同时，电路系统对锂电池充电的电流图与机械表上测得的实时电压；
8. 在满足机械表运行的同时，给锂电池充电的电压变化图与充电电路部分的实物图。

【小结】

该研究组构建的单向堆叠结构超灵敏TENG，结合低损耗能量设备能够有效收集环境中的微弱能量。相比传统结构的发电机，该设计使发电机的转移电荷提高了至少50%，大大提高了效率。弹簧悬浮结构的引入改善了发电机灵敏度。结合工作在线性区的JFET，能够实现低损耗的能量管理。通过收集环境中大量的机械能，这种超灵敏和高效的能量收集设备能够为未来各种场景下的自驱动电子系统提供可靠稳定的能源供给。

文献链接：Ultrasensitive Triboelectric Nanogenerator for Weak Ambient Energy with Rational Unipolar Stacking Structure and Low-Loss Power Management （Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.010）

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