河南大学程纲和杜祖亮Nano Energy：集成同步触发机械开关的旋转式脉冲摩擦电纳米发电机用于高效自供电系统

【引言】

最近，物联网（IoT）的发展使人类与世界紧密联系。物联网的发展需要数十亿的传感器，这些传感器需要合适且可持续的电源供电。尽管电池是一种选择，但必须经常更换。另外，电池回收不当可能会导致环境污染。通过收集环境中的机械能并将其转化为电能，摩擦电纳米发电机（TENG）被用于开发自驱动传感器和自驱动电子系统。TENG的工作机制是接触带电和静电感应效应的耦合。TENG的理论基础可以追溯到麦克斯韦方程中的位移电流。传统的TENG具有高的开路电压（Voc），低的短路电流（Isc）和交流电（AC）输出。因此，为了给电子设备供电，需要合适的电源管理电路（PMC）将TENG的输出转换成具有稳定的低电压和高电流的形式。但是，传统的TENG具有极高的内部等效阻抗，范围从1到100 MΩ，大大高于PMC的等效阻抗（小于1 kΩ）。因此，由于TENG和PMC之间的严重阻抗不匹配，因此TENG的大部分输出能量无法转移到PMC中。

【成果简介】

在这项研究中，河南大学程纲和杜祖亮教授团队开发了基于集成在摩擦层上的同步触发机械开关（STMS）的转动独立摩擦层模式的脉冲TENG（RF-Pulsed-TENG）。STMS通过印刷电路板（PCB）工艺一步制备。通过合理的设计，可以实现交流电（AC）和单向电流（UDC）的RF-Pulsed-TENG。开关的触点数量可以根据TENG栅格的数量进行调整。STMS的开关状态可以与RF-Pulsed-TENG的旋转频率很好地匹配。不管转速或负载电阻如何，RF-Pulsed-TENG的输出电压和能量都可以保持最大化。AC和UDC RF-Pulsed-TENG对应的PMC的储能效率分别可以达到51.6％和52.0％。结合了齿轮箱和高效的无源PMC，RF-Pulsed-TENG在收集和存储机械能方面具有显着优势。由变速箱，RF-Pulsed-TENG和无源PMC组成的系统可以为一系列电子设备供电，展示了在自供电传感器和物联网中的应用前景。该成果以题为“Rotational pulsed triboelectric nanogenerators integrated with synchronously triggered mechanical switches for high efficiency self-powered systems”发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1.常规转动独立摩擦层式摩擦纳米发电机（RF-TENG），交流电（AC）和单向电流（UDC）转动独立摩擦层式脉冲摩擦纳米发电机（RF-Pulsed-TENGs）的结构

（a）RF-TENG的结构和材料图 （b）RF-TENG的摩擦层正面的顶视图 （c）背面的顶视图

图2.RF-TENG的工作原理

（a）常规RF-TENG的工作原理 （b）AC RF-Pulsed-TENG的工作原理 （c）UDC RF-Pulsed-TENG的工作原理

图3.不同转速下RF-TENG的输出性能

图4.不同负载电阻下RF-TENG的输出性能

（a）不同负载电阻下传统RF-TENG的输出电流峰值，电压峰值和功率峰值 （b）在不同负载电阻下AC RF-Pulsed-TENG的输出电流峰值，电压峰值和功率峰值 （c）在不同负载电阻下，UDC RF-Pulsed-TENG的输出电流峰值，电压峰值和功率峰值 （d）不同负载电阻下的传统RF-TENG以及AC和UDC RF-Pulsed-TENG的输出能量

图5.RF-Pulsed-TENG的电源管理

（a-b）UDC RF-Pulsed-TENG的无源PMC的示意图和工作过程 （c）在不同转速下由UDC RF-Pulsed-TENG充电的电容器C₂的测量电压曲线 （d）在240 Hz的工作频率下，有和没有无源PMC时UDC RF-Pulsed-TENG对电容器C₂充电的电压曲线 （e）转速为240 rpm时，UDC RF-Pulsed-TENG的输出能量以及有和没有无源PMC时对电容器C₂的存储能量 （f）在240 rpm的工作频率下，有和没有无源PMC时对电容器C₂的储能效率 （g-h）AC RF-Pulsed-TENG的无源PMC的示意图和工作过程 （i）在不同转速下由AC RF-Pulsed-TENG对电容器C₂充电的电压曲线 （j）有和没有无源PMC时AC RF-Pulsed-TENG在240 rpm转速下对电容器C₂的充电电压曲线 （k）AC RF-Pulsed-TENG的输出能量以及有无无源PMC在240 rpm转速下对电容器C₂的存储能量 （l）在240 rpm转速下，有和没有无源PMC时对电容器C₂的储能效率

图6.由变速箱，UDC RF-Pulsed-TENG和无源PMC组成的自驱动系统

（a）变速箱和UDC RF-Pulsed-TENG的示意图 （b）变速箱的工作过程 （c）对于不同长度的拉线，在100 MΩ负载电阻下的UDC RF-Pulsed-TENG输出电流 （d）RF-Pulsed-TENG的照片。 插图是STMS触点的放大照片 （e）由带和不带无源PMC的UDC RF-Pulsed-TENG充电的10 μF电容器的测量电压曲线 （f）驱动电子表时UDC Pulsed-RF-TENG的无源PMC中电容器C₂的电压曲线 （g-i）步行拉动齿轮箱，由UDC RF-Pulsed-TENG和无源PMC驱动的计算器和温湿度计

【小结】

凭借内部等效电阻为零和最大输出能量的优点，脉冲式摩擦电纳米发电机（Pulsed-TENG）可以实现与电源管理电路（PMC）的阻抗匹配，在自供电系统中显示出广阔的应用前景。开发Pulsed-TENG的关键在于设计同步触发机械开关（STMS）。但是，由于制造合理的STMS的困难，可以高效收集机械能的转动式TENG很少被设计成脉冲式。本文中，通过印刷电路板工艺将STMS集成在金属摩擦层上一步实现了转动独立摩擦层式脉冲TENG（RF-Pulsed-TENG）。由于STMS的通断状态可以很好地与旋转频率匹配，因此，无论旋转频率或负载电阻如何，RF-Pulsed-TENG的输出电压和能量都可以保持最大化。实现了AC和UDC输出的RF-Pulsed-TENG，其相应的无源PMC的储能效率分别可以达到51.6％和52.0％。由变速箱，无源PMC和RF-Pulsed-TENG组成的系统可为一系列电子设备供电，例如计算器，电子表和温度/湿度计，在高效机械能量收集和自驱动传感系统方面具有明显的优势和广阔的应用前景。

文献链接：Rotational pulsed triboelectric nanogenerators integrated with synchronously triggered mechanical switches for high efficiency self-powered systems, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105725

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。

程纲，男，1978年1月生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省中原千人计划科技创新领军人才，河南省高校科技创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人，河南省物理学会常务理事。2000年获得河南大学物理学专业学士学位，2003年获得河南大学凝聚态物理学专业硕士学位，2008年获得吉林大学凝聚态物理专业博士学位。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年在美国佐治亚理工学院做访问学者。

多年来主要从事一维纳米结构光电器件的研究，在纳米结构的构筑、表界面光电特性表征以及光电纳米器件方面开展了较为系统的研究工作，重点研发了肖特基势垒纳米光电器件、摩擦纳米发电机、自驱动纳米光电器件等新型器件。在ACS Nano、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Energy、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金4项，主持省部级课题3项，获得河南省科技进步二等奖2项，授权国家发明专利14项。目前，程纲教授团队有青年教师7人，在读博士研究生6人，硕士研究生18人。