王中林院士Nano Energy：摩擦纳米发电机高效率收集水下超声波能

【引言】

浩瀚的大海蕴藏着取之不尽、用之不竭的可再生海洋能源。摩擦纳米发电机由于具有低成本、工作原理简单、环境友好和可规模化组装等优点，特别是其具有优异的低频振动能转换能力，成为诸多新型海洋振动能源收集技术中重要的发展方向之一，得到了人们越来越多的关注和研究。尽管采用摩擦纳米发电机将水中的振动能转化为电能展现出良好的应用前景，但是目前对水中能源收集的摩擦纳米发电机输出电流值和输出功率较小，特别是对水下声波的收集，仍旧是目前研究的重难点之一。因此，怎样有效地提高摩擦纳米发电机输出电流值和输出功率以及有效地收集水下声波能源的新型技术手段就成了当务之急。

【成果简介】

近日，来自中国科学研究院北京纳米能源与系统研究所、佐治亚理工学院的王中林院士（通讯作者）等人提出将摩擦层材料的宏观设计与微观机理相结合收集水下高频超声波振动能, 在透明的亚克力板上的小孔中填充自由运动的小球，当所设计的器件收集外界振动时，孔中自由的小球上下运动，与器件的上、下电极摩擦，电极上产生自由流动的感应电荷。该结构可以同时收集高、低频率的振动能量，表现出优异的输出电性能，其最大的峰值输出电流可达到几百毫安，最大的有效输出电流可达到1.43mA，相对于已有文献报道的数据，提升了2-3个数量级。该结构的器件无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种可穿戴电子设备和日常生活中照明灯，展现出良好的应用前景。相关研究成果以“High Efficient Harvesting of Underwater Ultrasonic Wave Energy by Triboelectric Nanogenerator”为题发表在2017年5月30日的Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 器件的设计和工作原理

（a）封装的摩擦发电机及其内部结构实物图。

（b）摩擦发电机的三维结构示意图。

（c）摩擦发电机的工作原理。（c1）电子注入过程（左）和有限元模拟计算对应的电势分布（右）。（c2）最初态摩擦电荷分布及其电流产生过程（左）和有限元模拟计算对应的电势分布（右）。（c3）小球与上电极碰撞向下运动的过程（左）和有限元模拟计算对应的电势分布（右）。（c4）小球向底部电极运动及其产生相反电流的过程（左）和有限元模拟计算对应的电势分布（右）。

图2 9孔填充7个直径为3.3 mm小球的摩擦纳米发电机（器件1）在超声波功率为0.61, 0.98和 1.38 W/cm²频率为80 kHz驱动下的输出性能图

（a-b）器件1的输出电压和输出电流。

（c-d）不同外电阻下对应的输出电压及其对应的输出功率。（d）中的插图是图（c-d）的等效电路图。

（e-f）9孔填充12个直径为2.38 mm小球的摩擦发电机（器件2）在超声波频率分别为80 kHz和100 kHz下的输出功率。

图3 在超声波频率为80 kHz下性能优化的摩擦发电机的电性能输出

（a-c）器件3的电性能输出。（a）器件3的输出电压和输出电流。（b-c）不同外电阻下对应的输出电压和对应输出功率。（d-f）器件4的电性能输出。

（d）器件4的输出电压和输出电流。

（e-f）器件4在不同外电阻下对应的输出电压和对应的输出功率。

（g）器件2在不同超声波功率下对应的输出压电和输出电流。

（h）器件2不同外电阻下对应的输出功率. 

（i）四个器件不同填充率和输出功率关系。

图4 收集水下超声波能的摩擦发电机的应用

（a） 摩擦发电机应用的等效电路图。

（b）不同超声波频率的下对电容进行充电曲线。摩擦发电机驱动温湿度计（c）和电子表（d）的照片。

（e）摩擦发电机直接驱动健康监测仪的照片。

（f）摩擦发电机直接持续给12盏灯泡供电。（f1）摩擦发电机直接持续给12盏灯泡供电的照片.（f2）摩擦发电机直接持续给12盏灯泡供电的等效电路图。

【小结】

本文利用摩擦纳米发电机的优点，收集水下高频超声波，从而提高了摩擦纳米发电机的输出电流和输出功率。对器件的相关参数进行了优化，同时对器件的机理进行了解释。本文的摩擦纳米发电机可以应用于浅水和深水中，因为该器件完全封装，并且硬质的结构可以承受水中的压力。该纳米发电机为收集水下能提供了一种简单高效的新颖方法。

感谢王中林老师和奚伊博士对本文的支持！

原文链接：High Efficient Harvesting of Underwater Ultrasonic Wave Energy by Triboelectric Nanogenerator（Nano Energy，2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.04.053. ）

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