Adv. Energy Mater. : 麦克斯韦位移电流助力旋转摩擦电纳米发电机有效电流传输

【引言】

智能家居将自动化系统与家用电器集成，以提供远程监控和自动控制。但是，传感器、交换机等组件的供电限制了自动化系统的可持续性和便携性。此外，移动电子设备和电网之间的电线对于智能家居的设计非常不方便。基于环境能量采集器的自供电系统为此问题提供了潜在的解决方案。一方面，能量采集器可以连续驱动自动化系统; 另一方面，无线能量传输(WED)可以使移动电子设备可持续运行。摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种新的机械能转换技术，自2012年发明以来引起了人们的广泛关注。混合结构可以进一步提高TENG的效率和适应性，但是由于结构设计导致的自由空间中的电场泄漏作为势能被忽略。最近，研究人员已证实漏泄场产生的麦克斯韦位移电流是TENG的基础，加深了对TENG工作机理的认识。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、北京科技大学王宁教授、曹霞教授(共同通讯作者)等提出了一种整合接触式TENG和断开式TENG的旋转TENG，用于转换旋转能量为智能家居供电，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Efficient Delivery of Power Generated by a Rotating Triboelectric Nanogenerator by Conjunction of Wired and Wireless Transmissions Using Maxwell’s Displacement Currents”的研究论文。接触式TENG主要由定子和转子组成，它可以有效地收集环境旋转的机械能。有线元件可提供≈2mA和≈110V的输出，使用有限大小的集电极的无线元件可提供≈3μA和≈17.5V的输出电流和电压(功率密度为21.8 mW·m^-2)，可为小型移动电子产品和数码相机充电。该研究扩展了TENGs在智能家居中的应用。

【图文简介】
图1 集成式旋转TENG的结构设计

a) 转子和定子的示意图；
b) 具有无线能量收集器的集成式TENG的示意图；
c) 所制备的集成式TENG和PCBs的照片；
d) 断开式TENG的顶视图。

图2 集成式旋转TENG的工作原理

a) 连接式TENG的工作原理：(i)初始态，(ii)中间态，(iii)终态；
b) 断开式TENG摩擦生电后的空间电势分布：(i)3D分布，(ii)垂直分布，(iii)平面分布。

图3 集成式旋转TENG的电输出

a) 有线传输TENG电源的短路电流；
b) 有线传输TENG电源的开路电压；
c) 无线传输TENG电源的整流输出电流；
d) 无线传输TENG电源的整流输出电压。

图4 用于WED的集成旋转TENG的电输出

a) 输出随收集器数量的变化；
b) 垂直距离h对输出的影响；
c) 径向距离r对输出的影响；
d) 不同旋转速率下的输出；
e) 外部负载电阻对输出的影响，电阻7MΩ时功率最大；
f) 摩擦起电后时间对输出的影响。

图5 集成式旋转TENG作为电源的应用

a) LED与集成式旋转TENG收集器连接的照片，内插为相应的电路图；
b) TENG电源无线传输点亮的LEDs；
c) TENG电源为手机有线充电；
d) TENG电源为数码相机有线充电；
e) 集成式旋转TENG点亮连接到集成电路的3 W灯泡的照片，内插是整个体系的电路图。

【小结】
综上所述，作者已经证实基于麦克斯韦位移电流的WED集成旋转TENG有望为智能家居进行电力供应。特别是，TENG具有非常简单的结构，主要包含具有四个扇区的PP(聚丙烯)盘。此外，PP盘的新型工作模式主要为了避免与另一个摩擦电表面的持续摩擦。具有无线充电的TENG在2cm的垂直高度处收集，整流输出电流和电压分别为≈3μA和≈17.5V，功率密度最大值为21.8 mW·m-2，可为无线的小型移动电子设备供电。此外，当旋转器的旋转速率保持在500 r·min-1时，为WED所设计的TENG具有≈2mA和≈110V的更高电输出。最后，作者展示了集成式旋转TENG直接为电灯、手机和数码相机充电。该工作提出了一种用于收集旋转能量的新型混合TENG，并开发了麦克斯韦位移电流在自供电无线系统中的应用。

文献链接：Efficient Delivery of Power Generated by a Rotating Triboelectric Nanogenerator by Conjunction of Wired and Wireless Transmissions Using Maxwell’s Displacement Currents (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201802084)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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