河南大学 Nano Energy: 自驱动静电振动开关用于摩擦纳米发电机的输出能量管理

【引言】

近年来，基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机(TENG)已经成为将机械能转化为电能的一项新技术。并且，摩擦纳米发电机已经被证明可以应用于电化学、生物医学、自驱动传感器等诸多领域，具有广阔的发展前景。然而，传统的摩擦纳米发电机由于具有巨大的固有阻抗，导致了其在为电子设备供电和为储能原件充电时存在阻抗失配的问题。开关的使用已经被证明能够有效的解决这一问题。目前开关已经应用于摩擦纳米发电机的各种模式，有效的提高了摩擦纳米发电机的输出性能。但是，目前设计的开关多为外部机械触发或电路触发，所以开关的结构必须精心设计，以匹配摩擦纳米发电机的运动，这增加了摩擦纳米发电机的制作难度和制作成本。因此，设计一种无需外部机械触发或电路触发的自驱动开关，对于摩擦纳米发电机的发展具有重要意义。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授（通讯作者）研究小组在Nano Energy上发表了题为“Managing and Optimizing the Output Performances of a Triboelectric Nanogenerator by a Self-Powered Electrostatic Vibrator Switch”的文章。报道了一种自驱动静电振动开关式摩擦纳米发电机（TENG-EVS）。该静电振动式开关的闭合由摩擦纳米发电机自身产生的电势差来驱动。将该开关应用于水平滑动模式的摩擦纳米发电机时，可以通过改变开关的振动频率来调节摩擦纳米发电机的电学输出性能。将该开关应用于旋转模式的摩擦纳米发电机时，可以通过匹配开关的振动频率和转盘的运动频率，使摩擦纳米发电机的电学输出达到最佳。此外，通过将TENG-EVS与变压器结合形成了一个电源管理系统，并且已经验证了该系统具有较强的充电能力和驱动能力。该项工作的第一作者为河南大学硕士研究生杨俊洁，河南大学程纲教授和杜祖亮教授为本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图1. TENG-EVS的结构及工作原理示意图

(a) TENG-EVS的结构示意图；

(b) 反应离子刻蚀后PTFE薄膜表面的AFM表征图；

(c) TENG-EVS的工作原理示意图。

图2. 不同开关长度(L)时，TENG-EVS的输出电压、电流及转移电荷量曲线

(a) L=4.3 cm时，TENG-EVS的输出电压、电流曲线；

(b) L=5.4 cm时，TENG-EVS的输出电压、电流曲线；

(c) L=5.4 cm时，TENG-EVS的转移电荷量曲线；

(d) L=7.5 cm时，TENG-EVS的输出电压、电流曲线；

(e) L=7.5 cm时，TENG-EVS的转移电荷量曲线。

图3. TENG-EVS的输出性能和负载的关系

(a) TENG-EVS的输出频率/输出时间间隔和开关长度的关系；

(b) TENG-EVS半个周期内的转移电荷量/脉冲峰数量和静电振动开关振动频率的关系；

(c) TENG-EVS/TENG的输出电压峰值和负载的关系；

(d) TENG-EVS/TENG的输出电流峰值和负载的关系；

(e) TENG-EVS/TENG的输出功率峰值和负载的关系；

(f) TENG-EVS/TENG一个周期内的输出能量和负载的关系；

图4. 开关振动频率为40.3 Hz时，旋转模式TENG-EVS的电学输出

(a) 旋转模式的TENG-EVS的结构示意图；

(b-e) 不同旋转速度时，TENG-EVS的输出电压、电流曲线；

(f) TENG-EVS一个周期内的输出能量和旋转速度的关系。

图5. 最优开关振动频率时，旋转模式TENG-EVS的电学输出

(a) 旋转速度为510 RPM时，TENG-EVS的最优输出曲线；

(b) 旋转速度为430 RPM时，TENG-EVS的最优输出曲线；

(c) 开关的最优振动频率/最大电压峰值和旋转速度的关系；

(d) TENG-EVS的转移电荷量/最优输出能量和旋转速度的关系。

图6. TENG-EVS的应用

(a) 电源管理系统为电容充电/点亮QLED的电路示意图；

(b) QLED的结构示意图；

(c) 四种不同供电电路为47 μF电容充电时的电压曲线；

(d) 四种不同供电电路为47 μF电容充电时的能量曲线；

(e) QLED的发光曲线；

(f) 四种不同供电电路分别点亮QLED的照片。

【小结】

本文研制了一种自驱动静电振动式开关，该开关由两个金属部分组成：作为弹性振子的金属丝和作为接触端的金属板。我们分别研究了水平滑动模式和旋转模式下TENG-EVS的输出特性。对于水平滑动模式的TENG-EVS，其输出特性可以通过改变开关的振动频率来调节。当外界负载电阻为0.1 MΩ时，其瞬时输出功率和一个周期内的输出能量分别为5.13 W和221.96 μJ，与没有使用开关的摩擦纳米发电机相比分别增加了1.8×10⁷和4.7×10³倍。对于旋转模式的TENG-EVS，通过匹配开关的振动频率和摩擦纳米发电机的运动频率，可以实现TENG-EVS的最优输出。并且，与传统的TENG相比，TENG-EVS具有更强的充电能力，其在15 s内所储存的能量是传统TENG的1800倍。此外，使用变压器的TENG-EVS被证实具有更强的驱动能力，可以点亮一个QLED。本篇工作为摩擦纳米发电机的输出能量管理提供了新的方法。

文献链接：Managing and Optimizing the Output Performances of a Triboelectric Nanogenerator by a Self-Powered Electrostatic Vibrator Switch (Nano Energy, 2018, 46, 220-228.)

课题组简介：

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文40余篇。主持国家自然科学基金3项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。Email：chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn

以上资料来自河南大学程纲老师课题组，特此感谢！

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