河南大学程纲团队Nano Energy：脉冲式摩擦纳米发电机的普适性无源高效电源管理电路

引言

随着电子信息技术的发展，电子器件和传感器的体积和功耗越来越小，这使得从其工作的环境中获取能量，实现自驱动化成为可能。人们采用了多种方法从环境中获取能量，如电磁发电机、压电纳米发电机、摩擦纳米发电机等。在这些方法和技术中，电磁发电技术，基于法拉第电磁感应定律，是为人们生产生活供能的大能源，它需要较高的工作频率。此外，较大的体积和重量使其不便于跟电子器件和传感器进行集成。压电纳米发电机 (PENG) 基于材料的压电效应，可以将机械能转化为电能。但其受材料及环境的制约较大，输出电压及能量不足。作为一种全新的能源技术，基于摩擦起电与静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机 (TENG) 同样可以直接将环境中的各种各样的机械能，直接转化为电能。与电磁发电机相比，其在较低的工作频率下具有较高的能量转化效率。与PENG相比，其输出电压及能量提升了3-4个数量级，且其所用的材料和能量来源更加广泛。将TENG与电子器件在具体的工作环境中有效的结合起来，发展自驱动的电子器件或系统，将是可穿戴电子器件和物联网中传感器的发展方向。

成果简介

近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组的研究成果“A Universal and Passive Power Management Circuit with High Efficiency for Pulsed Triboelectric Nanogenerator”在国际著名刊物Nano Energy (IF=15.548, JCR一区)上发表。在本工作中，为了解决TENG输出阻抗高、与电源管理电路阻抗不匹配的问题，设计了一种基于脉冲式摩擦纳米发电机 (Pulsed-TENG) 的具有普适性的无源电源管理电路。对基于静电振动开关的脉冲式摩擦纳米发电机(Pulsed-TENG)的匹配阻抗进行了研究，理论计算结果表明Pulsed-TENG的等效阻抗为零。在模拟中，发现匹配阻抗为0.001 Ω时，输出电压及能量仍可以达到最大值。这说明了Pulsed-TENG的输出能量可以保持最大化，不受负载电阻的影响，很好的解决了TENG与电源管理电阻阻抗不匹配的问题。然后通过模拟和实际测试对基于静电振动开关的Pulsed-TENG的无源电源管理电路的能量存储效率进行了研究。模拟结果显示其总能量存储效率可以达到83.6%，在实际的充电测试中，能量存储效率为57.8%。且应用此电路存储的电能可以驱动商用计算器与温度湿度传感计等电子器件。由于输出阻抗得到了最大程度的降低，始终保持输出能量的最大化，基于静电振动开关的Pulsed-TENG及其无源电源管理电路组成的系统将在自驱动电子器件和物联网中有广泛的应用前景。硕士生秦怀方和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

图1 Pulsed-TENG的结构与工作原理示意图。

(a) 基于静电振动开关的脉冲式摩擦纳米发电机的结构示意图;

(b) 基于静电振动开关的脉冲式摩擦纳米发电机的工作原理图，（a）初试状态；（b）静电吸引力小于回复力的状态；

（c）静电吸引力大于恢复力的状态；（d）发生电荷转移的状态。

图2 传统转盘式独立层TENG和TENG-EVS的输出特性。

(a) 传统转盘式独立层TENG的短路电流曲线，插图为测量短路电流的电路原理图；

(b) Pulsed-TENG的输出电流曲线，插图是用于测量输出电流的电路原理图；

(c) Pulsed-TENG在负载为0.001Ω时的理论计算和模拟的输出电压；

(d) Pulsed-TENG的模拟输出电压和能量随负载电阻的变化的曲线。

图3 无源电源管理电路的能量转移过程及模拟的能量存储效率。

(a-b) 基于Pulsed-TENG的无源电源管理电路的两个能量转移阶段；

(c) 无源电源管理电路中通过电感的电压；

(d) 无源电源管理电路中通过电感的电压在第一个充电循环的放大图；

(e) 无源电源管理电路中储能电容C₂的电压随充电循环变化的曲线；

(f) 无源电源管理电路单个充电循环的存储能量和能量存储效率随充电循环变化的曲线；

(g) 无源电源管理电路单个充电循环的能量和能量存储效率随储能电容C₂的电压变化的曲线；

(h) 无源电源管理电路总能量存储效率随充电循环变化的曲线

图4 TENG-EVS在不同电容、不同电感下的充电曲线、输出能量和能量存储效率的实际测试结果。

(a) 不同电容器下的无源电源管理电路储能电容C₂的电压随时间变化的曲线；

(b) 不同电容器下的无源电源管理电路存储的能量随时间变化的曲线；

(c) 不同电容器下的无源电源管理电路的能量存储效率随时间变化的曲线；

(d) 不同电感下的无源电源管理电路储能电容C₂的电压随时间变化的曲线；

(e) 不同电感下的无源电源管理电路存储的能量随时间变化的曲线；

(f) 不同电感下的无源电源管理电路的能量存储效率随时间变化的曲线。

图5 基于Pulsed-TENG无源电源管理电路驱动电子设备的演示。

(a) 基于Pulsed-TENG的无源电源管理电路驱动电子设备的电路图；

(b) 无源电源管理电路选用不同电容器时驱动温度湿度计时的电压曲线；

(c) 无源电源管理电路驱动温度湿度计正常工作的实物图；

(d) 无源电源管理电路驱动计算器的实物图。

文章链接：

A universal and passive power management circuit with high efficiency for pulsed triboelectric nanogenerator. (Nano Energy, 2020, 68, 104372)

网址链接:

 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104372 

本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。

作者简介

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50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

本文由河南大学程纲团队供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.