中北大学Nano Energy：摩擦起电-压电-电磁复合纳米发电机打造高效振动能量收集和自驱动无线监测系统

【引言】

随着网络技术的进步，可穿戴电子器件和无线传感的出现，改变了我们的生活方式。它们加速了信息收集和资源共享，导致人类社会迈向智能时代。能源供给对于网络运行至关重要。当前，外部能源供给是由锂离子电池实现。但是，有限寿命和环境污染问题是电池需要克服的技术瓶颈。新能源开发和实现自驱动器件、系统是一条可行的途径。目前，低功耗技术将器件功耗从mW 降到了 μW。大大减少了微电子器件的能源消耗，在未来希望实现nW功耗。为此，目前给微电子器件供能，最普遍的方法是将环境的能量（机械能、光能和热能）转化为电能。

在这些自然能源中，对能量收集而言，来自运动物体的振动是最有前景的候选者。就当前而言，有很多的机理可以将振动能量转化为电能，例如:电磁感应、压电和磁致伸缩。此外，一种新的方式，摩擦起电也可以将振动能量转化为电能。这种转化方式具有高功率输出、高转化率、低成本以及材料选择范围广等优势。但是，这些能量收集方式在实际应用有以下问题：首先，电路管理的使用，有大量的能量损失；其次，在振动发电机中，以弹簧或悬浮装置作为移动装置，缩减了器件的寿命；第三，对于便携式收集系统，应该可以在小的力下运行；最后，发电机对振动强度的响应范围应该更宽。然而，任何一种单独的振动发电机都不能解决这些问题。为此，研究人员通过补充转换机制，发明了一种摩擦起电-压电-电磁复合纳米发电机可以收集更多的能量。

【成果简介】

近日，中北大学电子测试重点实验室丑修建教授和薛晨阳教授（共同通讯作者）研究小组发明了一种摩擦起电-压电-电磁复合纳米发电机，将三种收集方式集成到一个器件。该器件的核心结构是磁悬浮结构。一方面它比传统弹簧或悬浮装置更加灵敏，有助于微能量的收集；另一方面机械疲劳可以被避免，延长了器件的寿命。该研究成果以“Triboelectric-Piezoelectric-Electromagnetic Hybrid Nanogenerator for High-Efficient Vibration Energy Harvesting and Self-powered Wireless Monitoring System”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 摩擦-压电-电磁复合纳米发电机结构

（a）（b）PZT和CNT掺杂硅胶的扫描电镜图；

（c）纳米发电机的结构示意图；

（d）磁分布；

（e）圆锥凸板PEG单元；

（f）（g）（h）纳米发电机的尺寸大小。

图2. 复合纳米发电机的工作机理

（a）（b）（c）顶部、中间和底部的磁通密度；

（d）纳米发电机的始态；

（e）（f）（g）（h）摩擦起电、电磁和压电单元的电荷产生过程。

图3. EMG的电学输出

（a）  EMG1的开路电压；

（b）  EMG1的短路电流；

（c）  输出电压和输出功率与负载电阻之间的关系；

（d）  EMG2开路电压；

（e）  EMG2的短路电流；

（f）EMG2输出电压和输出功率与负载电阻之间的关系。

图4. PEG的电学输出

（a）  PEG1的开路电压；

（b）  PEG1的短路电流；

（c）  PEG1的输出电压和功率与外部负载之间的关系；

（d）  PEG2的开路电压；

（e）  PEG2的短路电流；

（f）  PEG2的输出电压和功率与外部负载之间的关系。

图5. TENG的电学性能

（a）  TENG的开路电压；

（b）  TENG的短路电流；

（c）  TENG的输出电压和功率与外部负载电阻之间的关系。

图6. 发电机在不同频率下的电学输出

在2Hz、6Hz、10Hz和20Hz下的输出：（a）EMG的开路电压;(b)ENG 短路电路；(c) PEG的开路电压；(d)PEG的短路电流；(e)TENG的开路电压；（f）TENG的短路电流。

图7. 在整个周期内不同发电机单元产生的电学信号

（a）  PEG1和PEG2在一个周期内的输出电压；

（b）  EMG1和EMG2在一个周期内的输出电压；

（c）  在同步数据采集期间，PEG 1, EMG 1和TENG的输出电压；

（d）  在一个峰内的相关曲线；

（e）  t1, t2, t3和t4内，底部单元的动态过程。

图8. 复合纳米发电机的应用

（a）当拍打桌子时，复合发电机点亮LED；

（b）当拍打桌子时，复合发电机产生的电流和电压；

（c）（d）（e）（f）汽车通过减速带时，点亮LED。

图9. 复合发电机通过电路管理实现能源储存

（a）带有整流单元的充电电路；

（b）复合发电机给1000μF电容充电；

（c）在不同单元下的充电率。

图10. 无线监控系统和能量采集装置的集成和应用

（a）电路组件的大小；

（b）自驱动无线传感系统；

（c）集成系统的大小；

（d）自驱动无线传感系统和控制计算机终端；

（e）（f）监测界面的振动和温度数据。

【小结】

该小组研究人员发明的摩擦起电-压电-电磁复合纳米发电机既可以收集振动能量又可以实现无线监测系统。该发电机有一个小的尺寸（Φ48×27mm）和轻的质量（80g），适合智能移动终端和物联网。该复合纳米发电机拥有高效的能量收集能力。基于发电机优越的性能，可以驱动无线传感系统，获得振动和温度信号。该工作使振动能量的收集更向前迈进了一步。

文献链接： Triboelectric-Piezoelectric-Electromagnetic Hybrid Nanogenerator for High-Efficient Vibration Energy Harvesting and Self-powered Wireless Monitoring System（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.039）

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