天津理工大学Nano Energy:尺寸对多电极层叠加的小型化摩擦纳米发电机输出的影响
【引言】
随着人口的增长和电子器件的发展,能源需求大幅度增加。然而,现有的不可持续能源,例如煤、石油和天然气已经大幅度减少。同时,从风、水、太阳以及潮汐获取的能量并不能满足人类需求。这些问题促使人们寻找新的能源。经过不断的发展,人们开始关注身边随时可用的能量,这种丰富而微弱的能量,可以满足日益增长移动设备的能量需求。为了实现各种类型能量的转变,压电、热电、热释电和摩擦起电效应被利用。其中,基于摩擦起电效应的摩擦纳米发电机(TENG),由于它高的输出和转化效率受到大量关注。
近年来,一直关注提高TENG的输出,例如通过控制材料的表面结构、表面修饰以及增加摩擦层数量。然而这些方法无不要求昂贵的加工技术以及需要大体积的发电机,这限制了它们在小面积区域的广泛使用。为此,研究人员利用两平行板之间的边缘效应,设计了一种多层电极叠加的小型化TENG。这种设计能够有效的减小发电机体积和提高输出。
【成果简介】
近日,天津理工大学材料科学与工程学院陈民芳教授(通讯作者)研究小组利用发电机平行板之间的边缘效应,构建了一种多层电极叠加的TENG。当发电机的上下分离间隙达1.5cm,间隙距离和发电机的长度比达0.4时,它的短路电流输出在叠加8个电极层达到饱和,并超出相应的单电极层的输出3-5倍,同时体积相应的减小了50-80%。该研究成果以“Size effect on the output of a miniaturized triboelectric nanogenerator based on superimposed electrode layers”为题发表在Nano Energy上。
【图文导读】
图1. TENG制作过程
- 有四个堆叠电极层的TENG示意图;
- 叠加多层电极TENG的实物图;
- 制备堆叠电极层TENG的过程。
图2. 在不同刻蚀时间下,聚左旋乳酸(PLLA)片表面形貌AFM图和TENG的电学性能
- PLLA膜用NaOH分别刻蚀0、5、10、15、20和25min的AFM图;
- 不同刻蚀时间的PLLA片和硅胶片组成TENG的开路电压;
- 不同刻蚀时间的PLLA片和硅胶片组成TENG的短路电流;
- 不同刻蚀时间的PLLA片和硅胶片组成TENG的转移电荷。
图3. 外部电路和铝电极在不同连接下,含N个堆叠电极层TENG的输出
- 外部电路和铝电极以A形式连接;
- 以A形式连接TENG的开路电压;
- 以A形式连接TENG的短路电流;
- 外部电路和铝电极以B形式连接;
- 以B形式连接TENG的开路电压;
- 以B形式连接TENG的短路电流。
图4. 基于堆积电极层TENG的工作机理
- TENG输出产生过程的整个循环;
- 带电平行板的电场;
- 右边交叉阴影区是边缘效应的突出区。
图5. 上下摩擦层间距离对TENG性能的影响
- 4层电极层,尺寸为L×L=2cm×2cm 的TENG示意图;
- 电极层尺寸为L×L=2cm×2cm 的TENG,在不同分离距离下的开路电压;
- 电极层尺寸为L×L=2cm×2cm 的TENG,在不同分离距离下的短路电流;
- 4层电极层,尺寸为L×L=4cm×4cm 的TENG示意图;
- 电极层尺寸为L×L=4cm×4cm的TENG,在不同分离距离下的开路电压;
- 电极层尺寸为L×L=4cm×4cm的TENG,在不同分离距离下的短路电流。
图6. 不同尺寸TENG的电学性能测量
- 尺寸为L × L = 1 cm × 1 cm TENG的实物图;
- 尺寸为L × L = 1 cm × 1 cm TENG的开路电压;
- 尺寸为L × L = 1 cm × 1 cm TENG的短路电流;
- 尺寸为L × L =2cm × 2 cm TENG的实物图;
- 尺寸为L × L = 2cm × 2 cm TENG的开路电压;
- 尺寸为L × L = 2cm × 2 cm TENG的短路电流;
- 尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm TENG的实物图;
- 尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm TENG的开路电压;
- 尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm TENG的短路电流;
- 尺寸为L × L = 6 cm × 6 cm TENG的实物图;
- 尺寸为L × L = 6 cm × 6 cm TENG的开路电压;
- 尺寸为L × L = 6 cm × 6 cm TENG的短路电流;
- 尺寸为L × L = 8 cm × 8 cm TENG的实物图;
- 尺寸为L × L = 8 cm × 8 cm TENG的开路电压;
- 尺寸为L × L =8 cm × 8 cm TENG的短路电流。
图7. 测量尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm,摩擦层之间间隙1.5cmTENG的开路电压和短路电流
- N个电极层堆叠的TENG实物图;
- 并联n个单层电极TENG的实物图;
- 由N个电极层堆叠而成TENG的开路电压;
- 由N个电极层堆叠而成TENG的短路电流;
- 并联n个单层电极TENG的开路电压;
- 并联n个单层电极TENG的短路电流。
【小结】
该研究小组利用平行板的边缘效应,构建了多电极层堆叠结构的TENG,相比单电极层TENG,输出提高了3-5倍,并且体积减小了50-80%。由于该发电机的轻质量、低成本、制作简单和致密的结构将有助于未来的小型化应用和人体植入。
文献链接:Size effect on the output of a miniaturized triboelectric nanogenerator based on superimposed electrode layers(Nano Energy,2017,DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.030)
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