河南大学程纲团队Nano Energy：摩擦纳米发电机的非接地电压测量法

引言：

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种全新的机械能收集技术，可以从周围环境中收集各种形式的机械能，包括人体运动，机械振动，轮胎旋转，水滴/水流，风能等，并将其直接转化为电能。TENG的工作机理是接触起电和静电感应效应的耦合，其原理可以追溯到麦克斯韦位移电流。TENG具有重量轻，结构简单，成本低，低频下能量转换效率高等优势。目前已经开发出不同工作模式的TENG，例如垂直接触-分离模式，水平滑动模式，单电极模式和独立层模式。TENG已经在微纳能源、自驱动传感器、蓝色能源和高压电源等领域取得了重大进展。测量TENG的电压，包括开路电压(V_oc)和输出电压，对于评估TENG的性能非常重要。然而，在传统的测量方法中，由于TENG的一个电极接地，该电极上的电荷会转移到大地，导致测量得到的电压值小于真实值。因此，需要开发测量TENG真实电压值的方法，以准确地评估TENG的性能。

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“Measuring the Actual Voltage of a Triboelectric Nanogenerator Using the Non-grounded Method”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。在本工作中，使TENG的两个电极都不与大地连接，提出了TENG的非接地电压测量方法，并开发出三种具体的测量模式。根据开路电压(V_oc)和输出电压的测量结果，对于滑动模式和垂直接触-分离模式TENG，非接地方法与接地方法的电压比分别约为2.0和1.5。使用有限元方法(FEM)模拟计算了三种模式TENG的非接地电压和接地电压，这些电压与测量结果一致。此外，还计算了非接地-接地电压比与TENG的参数之间的关系，这为通过接地方法得到的结果来估算实际电压提供了一种简单的方法。此外，非接地方法已应用于TENG诱导的等离子体中，证明了其测量TENG实际输出电压的能力。本文提出的非接地测量方法可以测量TENG的实际电压，这对于准确评估TENG的性能具有重要意义。硕士研究生张文河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 以水平滑动独立层模式TENG为例，演示传统的接地法测量TENG的V_oc中存在电极与大地之间的电荷转移。(a) 在理想情况下测量V_oc的等效电路。(b) 通过接地法测量V_oc的等效电路。(c) 在接地法测量TENG的V_oc的过程中测量电极-大地之间转移电荷的等效电路，以及测量的转移电荷量。(d) 测量TENG的总转移电荷的等效电路以及测量结果。

图2 三种非接地法用来测量TENG的真实V_oc以及对应的接地测量方法。这里，以水平滑动独立层模式TENG为例。直接用一台6514系统静电计测量TENG的V_oc的等效电路(a)，两台6514系统静电计串联（接地端连接在一起）测量TENG的V_oc的等效电路(b)，以及测量结果(c)。一个电流表和一个电阻串联(d)，两个电流表和两个电阻串联(e)测量TENG的V_oc和输出电压的等效电路，以及测量结果(f)。一个电流表和一个电阻串联(g)，一个电流表和两个电阻串联(h)测量TENG的V_oc和输出电压的等效电路，以及测量结果(i)。

图3 比较另外两种基本工作模式（垂直接触-分离模式和水平滑动模式）TENG的电极-大地转移电荷量和总电荷量，以及接地法（参考图2a）和非接地法（参考图2b）测量得到的V_oc。Cu-PTFE垂直接触-分离模式TENG的等效电路(a)，电极-大地转移电荷量和总电荷量的对比(b)，以及V_oc的对比(c)。Nylon-PTFE垂直接触-分离模式TENG的等效电路(d)，电极-大地转移电荷量和总电荷量的对比(e)，以及V_oc的对比(f)。Cu-PTFE水平滑动模式TENG的等效电路(g)，电极-大地转移电荷量和总电荷量的对比(h)，以及V_oc的对比(i)。Nylon-PTFE水平滑动模式TENG的等效电路(j)，电极-大地转移电荷量和总电荷量的对比(k)，以及V_oc的对比(l)。

图4 非接地和接地情况下三种模式TENG的V_oc的三维模型有限元计算结果。非接地(a)和接地情况下(b)水平滑动独立层模式TENG的电势分布。(c) 非接地和接地情况下，水平滑动独立层模式TENG在不同的x/d下的V_oc。(d) 非接地和接地情况下，水平滑动独立层模式TENG在不同的x/d下的V_oc的比值。(e) 非接地和接地情况下，Cu-PTFE垂直接触-分离模式TENG在不同的d/x下的V_oc的比值。(f) 非接地和接地情况下，Nylon-PTFE垂直接触-分离模式TENG在不同的d/x下的V_oc的比值。

图5 通过TENG诱导的微等离子体实验演示用于测量TENG实际输出电压的非接地测量方法。非接地测量方法的等效电路(a)，产生的微等离子体照片(b)，测量TENG的实际输出电压(c)。接地测量方法的等效电路(a)，微等离子体消失的照片(b)，测量TENG的输出电压(c)。

文章链接：Measuring the Actual Voltage of a Triboelectric Nanogenerator Using the Non-grounded Method.

网址链接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105108 

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，河南省中原千人科技创新领军人才，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年起至今，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，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。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4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: chenggang@henu.edu.cn

本文由河南大学程纲教授课题组投稿。