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

u2175908346 7年前 (2017-09-25) 5165浏览

【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

  1. 有四个堆叠电极层的TENG示意图；
  2. 叠加多层电极TENG的实物图；
  3. 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

  1. PLLA膜用NaOH分别刻蚀0、5、10、15、20和25min的AFM图；
  2. 不同刻蚀时间的PLLA片和硅胶片组成TENG的开路电压；
  3. 不同刻蚀时间的PLLA片和硅胶片组成TENG的短路电流；
  4. 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

  1. 外部电路和铝电极以A形式连接；
  2. 以A形式连接TENG的开路电压；
  3.  以A形式连接TENG的短路电流；
  4.  外部电路和铝电极以B形式连接；
  5. 以B形式连接TENG的开路电压；
  6. 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

  1.  TENG输出产生过程的整个循环；
  2.  带电平行板的电场；
  3.  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

  1.  4层电极层，尺寸为L×L=2cm×2cm 的TENG示意图；
  2. 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；
  3.  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. 4层电极层，尺寸为L×L=4cm×4cm 的TENG示意图；
  5.  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；
  6. 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

  1. 尺寸为L × L = 1 cm × 1 cm TENG的实物图；
  2. 尺寸为L × L = 1 cm × 1 cm TENG的开路电压；
  3. 尺寸为L × L = 1 cm × 1 cm TENG的短路电流；
  4. 尺寸为L × L =2cm × 2 cm TENG的实物图；
  5. 尺寸为L × L = 2cm × 2 cm TENG的开路电压；
  6. 尺寸为L × L = 2cm × 2 cm TENG的短路电流；
  7. 尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm TENG的实物图；
  8. 尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm TENG的开路电压；
  9. 尺寸为L × L = 4 cm × 4 cm TENG的短路电流；
  10. 尺寸为L × L = 6 cm × 6 cm TENG的实物图;
  11. 尺寸为L × L = 6 cm × 6 cm TENG的开路电压;
  12. 尺寸为L × L = 6 cm × 6 cm TENG的短路电流；
  13. 尺寸为L × L = 8 cm × 8 cm TENG的实物图;
  14. 尺寸为L × L = 8 cm × 8 cm TENG的开路电压;
  15. 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

  1.   N个电极层堆叠的TENG实物图；
  2.   并联n个单层电极TENG的实物图；
  3.  由N个电极层堆叠而成TENG的开路电压；
  4. 由N个电极层堆叠而成TENG的短路电流；
  5. 并联n个单层电极TENG的开路电压；
  6. 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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