北科大曹霞团队Nano Energy：作为智能家居和地板的自供电传感的天然木质摩擦电纳米发电机

【引言】

在数字时代，智能家居也受到了科技进步的冲击，受到了很多人的关注。现代智能家居系统是由各种计算设备和传感器组成的，这给我们带来了全新的挑战，对能源的利用效率提出了更高的要求。在一般情况下，功率传感器有电缆供电和移动供电两种方式。电缆供电的特点是部署成本高，灵活性差。同时，移动供电的电池寿命有限，废电池会对环境造成污染。因此，迫切需要一种自供电、高度灵活、无污染的传感技术。近年来，基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦电纳米发电机（TENGs）由于成本低、选材广泛、结构简单等优点，已迅速发展成为一种强大的机械能转化为电能的技术。TENGs和储能设备集成为一个单元，为微电子设备提供可持续的电源。此外，基于麦克斯韦位移电流的TENGs可以有效地将机械能转化为电能，无需电源即可自供电，大大提高了空间的灵活性。此外，已经充分证明了TENGs可以作为压力、触觉和运动传感的自供电传感器，而不需要额外的电源。因此，该技术已成为传感器网络、人工智能和IoTs的有效电源解决方案。然而，前者通常是由金属和聚合物组成，难以回收和降解。长期积累可能会对环境造成潜在危害。本论文采用一种纯天然可降解无污染材料作为摩擦电层，即木材。木材是最常见和最广泛使用的装饰材料之一，在室内设计中起着重要的作用。木质摩擦电纳米发电机（W-TENG）是一种环保、可再生、可持续和易于制造的材料。可作为智能家居照明灯具的开关传感器。目前，智能家居中的灯光开关可分为声控开关和灯光控制开关。然而，智能家居中这两种开关控制的灯具在开启时需要一段时间才能自动关闭，这就造成了电能的消耗和浪费。在本研究中，W-TENG被制作成木质地板作为开关传感器。人行走的机械能可以被收集并转化为电能，它不需要外部动力。

【成果简介】

近日，在北京科技大学曹霞教授、中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士团队等人（共同通讯作者）带领下，报告了一种天然可生物降解的木质摩擦电纳米发电机（W-TENG），它不仅可以产生高输出功率的电力微电子设备，而且还可以用作自供电传感器。纯天然可生物降解且无污染的木材用作摩擦电材料。W-TENG（8 cm×8 cm）的输出电压和电流在2 Hz的频率下分别为220±20 V和5.8±0.5μA。在50 MΩ的电阻下，最大输出功率密度可能高达158.2 mW/m²。在此基础上，W-TENG可广泛应用于自供电电灯开关、自供电门铃等，实现对灯光的智能控制，并在很大程度上有助于节能。此外，它可以被设计成一个智能地板，并安装在舞台木地板上，以跟踪和记录舞者的动作。舞者可以通过他们脚下的地板来控制灯光。这个基于W-TENG的自供电系统为木材电子产品开辟了新的领域，它将在大数据分析、智能家居和智能城市环境中有潜在的应用。该成果以题为“Natural wood-based triboelectric nanogenerator as self-powered sensing for smart homes and floors”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1 天然木材组装的TENG的结构

a）W-TENG的示意图。

b）W-TENG的照片。

c）新西兰松的表面形貌。

d）新西兰松SEM形貌图像。

图2 W-TENG的实验装置和机理图

a）线性电动机系统的安装照片。 

b）W-TENG的安装放大图。 

c）点亮LEDs。

d）W-TENG在单电极模式下的工作原理示意图。 

i–iv）W-TENG在完全回收过程中的电荷分布：i）接触状态；ii）分离状态；iii）释放状态和iv）接近状态。

e）W-TENG（8 * 8 cm²）的开路电压。

f）W-TENG（8 * 8 cm²）在2Hz频率，0.352 m/s峰值速度的短路电流。

图3 W-TENG的输出性能及其影响因素

a）与各种木材组装的W-TENG的开路电压。

b）W-TENG的面积与电力输出之间的关系。

c）直线电动机的工作频率与W-TENG的电力输出（5 cm×5 cm）之间的关系。

d）由W-TENG充电的电容器（1μF；4.7μF；10μF）的电压曲线，插图显示等效电路。

e）具有外负载电阻的功率密度和短路电流。

f）稳定性测试：在10 min内记录500次周期的开路电压和短路电流，工作频率为2 Hz，峰值速度为0.352 m/s。

图4 W-TENG在智能家居中的应用

a,b）W-TENG在家用门上用手按压时的a）开路电压和b）短路电流。

c）门上的W-TENG用手带动门点亮LEDs。

d）W-TENG作为传感器的工作原理。

e）W-TENG应用于智能家居照明开关的照片。

f）W-TENG申请智能家居门铃开关的照片。

图5 W-TENG在智能地板中的应用

a）由木地板和拖鞋组成的TENG的示意图。

b）与LED相连的拖鞋接触木地板的照片。

c）“木质” LED的放大图。

d,e）实验人员穿着拖鞋踩在木地板上时的d）开路电压和e）短路电流。

f）TENG用木地板和拖鞋为电容器（1μF）充电的电压曲线。

g）由W-TENG储存的电力驱动的电子表的照片。

h）由W-TENG控制的灯的照片。

图6 W-TENG在舞台艺术中的应用

a）舞者在舞台上排队跳舞的示意图。

b）W-TENG布置的照片。

c）当舞鞋沿着A-B-C-D-E路径运动时，W-TENG输出实时电流信号。

d）当舞鞋沿着AD-AB-AB-C-E路径运动时，W-TENG输出实时电流信号。

【小结】

综上所述，一种纯天然可生物降解且无污染的天然木材作为摩擦电纳米发电机（W-TENG）。这种W-TENG可以在能量收集和自供电传感方面发挥非常重要的作用。W-TENG（8 cm×8 cm）的输出电压和电流在2 Hz的频率下分别为220±20 V和5.8±0.5μA。在此W-TENG上，最大输出功率密度在50MΩ的电阻下达到值158.2 mW/m²，可以存储在电容器中。本研究还探讨了摩擦电层的接触面积和直线电机的工作频率对输出性能的影响，证明了输出性能与这两个因素呈正相关关系。众所周知，木材是人们最熟悉和广泛使用的建筑装饰材料，在室内设计中起着重要的作用。将W-TENG与这些相结合，可以实现家庭自动化，包括自触发式电灯开关、自触发式门铃、自触发式地板等。同时，木材也经常被用作舞台地板的材料。舞台的木质地板上安装了W-TENGs，可以跟踪和记录舞者的动作，甚至舞者自己也可以通过脚下的地板控制灯光。这种基于W-TENG的自供电系统为TENGs在智能家居和电子产品中的应用提供了一种新的设想。

 文献链接：Natural wood-based triboelectric nanogenerator as self-powered sensing for smart homes and floors（Nano Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104770）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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