Nano Research: 仿鱼鳞结构摩擦纳米发电机高效收集转动机械能

【引言】

随着化石能源的逐渐枯竭，风电、水电等可再生能源的利用，是解决全球能源危机最有效的方法。而风电和水电的收集主要通过叶片或涡轮实现。当气流或者水流通过时，叶片将风能或者水能转换为转动机械能。然而，传统的电磁发电机在低频下(低风速，低流速)输出电压极小，不能被有效利用。与电磁发电机不同，摩擦纳米发电机(TENG)在低频下也有着很高的输出电压。利用摩擦纳米发电机收集低频转动机械能具有重要的意义。用于收集转动机械能的摩擦纳米发电机一般是滑动摩擦式，摩擦材料的相对位移摩擦使得材料磨损严重，输出不稳定，使用寿命缩短。如何降低摩擦材料的损耗，使得摩擦纳米发电机可以长时间稳定的输出，是摩擦纳米发电机研究领域的一个重要课题。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李从举研究员(通讯作者)等人在Nano Research发表了题为"Ultra-robust triboelectric nanogenerator for harvesting rotary mechanical energy"的研究论文，报道了一种仿鱼鳞结构的摩擦纳米发电机(SL-TENG)。杜新宇助理研究员和李念武助理研究员为共同第一作者。文章设计的这种新型摩擦纳米发电机的工作方式为接触分离式。摩擦材料之间没有相对位移摩擦，因此材料磨损大大降低，使用寿命大大延长，输出稳定性大大提高。测试表明，SL-TENG在连续工作15h，输出超过一百万个周期交流电信号的情况下，输出电压没有衰减。在低转速下，SL-TENG输出电压峰峰值超过500 V，可以用来高效的收集风能，水流能，机动车制动等转动机械能。此外，研究者还利用能量管理电路将SL-TENG输出的高压交流电转化成了5V的低压直流电。该低压直流电可以持续的驱动无线传感器对环境进行实时监控，从而形成自驱动的无线传感器件。这种自驱动的无线传感器可以广泛的部署，从而在环境保护、基础设施监控、国防安保监控等领域发挥重要作用。

【图文导读】

图1 鱼鳞结构摩擦纳米发电机

（a）鱼鳞结构纳米发电机结构；

（b）等离子体刻蚀PTFE薄膜形成的纳米线结构显微照片；

（c）多层鳞片结构摩擦材料；

（d）鱼鳞结构摩擦纳米发电机转子实物图；

（e）鱼鳞结构摩擦纳米发电机定子实物图。

图2 鱼鳞结构摩擦纳米发电机输出

（a-b）输出电压和输出短路电流；

（c）转速为120 rpm时，输出电压、电流随外电阻变化关系；

（d）不同转速下的输出功率与外接阻抗关系；

（e）不同转速下给一个10 μF的电容充电；

（f）转速120 rpm下给锂电池充电半小时后恒流100 μA放电可持续一小时。

图3 鱼鳞结构摩擦纳米发电机驱动电子产品

（a）驱动科学计算器；

（b）能量管理电路将鱼鳞结构摩擦纳米发电机产生的交流电转换为直流恒压电；

（c）鱼鳞结构摩擦纳米发电机驱动无线温度传感器；

（d）无线温度传感器在鱼鳞结构摩擦纳米发电机供电下工作。

文献链接: Ultra-robust triboelectric nanogenerator for harvesting rotary mechanical energy (Nano Res., 2017, DOI: 10.1007/s12274-017-1916-5)

本文由中科院北京纳米能源与系统研究所纳米智能纺织实验室供稿。

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