重庆大学机械考研，重庆大学机械考研科目
随着能源消耗和环境污染的增加，寻找可再生能源已成为人类社会可持续发展的必要条件。摩擦纳米发电机（TENG）是一种新型能量收集技术，广泛用于物联网、传感器网络和人工智能等领域。然而，传统的TENG基于接触带电和静电感应的耦合，需要经过整流器才能获得直流电（DC），而整流桥的功率消耗和设备尺寸都将限制其在小型电子设备中的应用。因此，为了满足从小型传感器阵列到可穿戴柔性电子设备等多种应用场景的需求，需要一种更简单、更通用的方法来实现TENG的直流发电。
重庆大学胡陈果教授、付绍珂博士等人通过设计机械延时开关和替代的空白摩擦区域，提出了一种新型MDC-TENG，极大地提高了输出性能。作者对MDC-TENG的工作机理进行了理论分析和实验验证，发现空白摩擦区可促进电荷积累，而机械延时开关实现了直流输出。该MDC-TENG可以以60 rpm的速度点亮1888个串联LED，并以120 rpm的速度并行驱动24个温湿度计，实现了4.2 W m-2的超高平均功率密度。此外，该MDC-TENG还具有高耐用性，在120000次循环后仍能保持92%的初始输出。这项工作为提高DC-TENG的输出性能提供了一种可行的策略。该研究以题为“A Novel Design Based on Mechanical Time-Delay Switch and Charge Space Accumulation for High Output Performance Direct-Current Triboelectric Nanogenerator”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【MDC-TENG的结构和工作原理】
MDC-TENG主要由滑块和定子组成。得益于摩擦起电和机械延时开关结构，经过多次滑动循环后，电荷分别通过有底电极的摩擦面和定子中没有底电极的额外摩擦区积聚在滑块表面。基于电荷空间累积效应，作者将铝箔粘贴在摩擦层的背面作为屏蔽层，以抑制空气击穿，并通过空白摩擦区域的耦合更好地积累摩擦电荷。当滑块在定子左电极上方的尼龙上移动时，滑块上的电刷触发定子左电极（电极之间的机械延时开关闭合），电荷从左电极转移到滑块上的电极。随后，滑块继续向右移动，机械延时开关关闭。通过电势差在两个电极之间转移电荷，从而产生静电平衡。最后，当滑块远离定子右电极时，电刷触发右电极（电极之间的机械延时开关闭合），滑块电极上的电荷转移到定子右电极达到平衡状态。因此，在滑块上引入介电层大大提高了MDC-TENG的输出性能，而机械延时开关可使直流模式下的输出单向移动。
图1 MDC-TENG的结构和工作原理
【MDC-TENG的输出性能】
作者在定子上增加了一个额外的空白摩擦区域，以扩大滑块的运动范围，通过摩擦起电效应实现高表面电荷。随着额外摩擦区域的扩大，更多的电荷会累积在滑块的摩擦层上。随着额外摩擦区域从15 mm延伸到45 mm，MDC-TENG的输出电荷和短路电流分别从0.48 µC、4.53 µA增加到1.83 µC、10.7 µA。此外，在5 N的作用力下，MDC-TENG的短路电流在120000次循环后仍然保持在92%，展现出了优异的耐久性。作者还设计了旋转模式下的MDC-TENG，其每对电极之间存在交替的空白摩擦区域。随着转速从10 rpm上升到60 rpm，旋转MDC-TENG的输出电荷在0.5 秒内从2.51 µC增加到13.3 µC，短路电流从20.5 µA增加到106.9 µA。加入外部负载后，其在20 MΩ时获得了75.69 mW的峰值功率，平均功率密度达到4.2 W m -2。
图2不同额外滑动范围对MDC-TENG输出的影响
图3旋转MDC-TENG的性能
【MDC-TENG的应用演示】
旋转MDC-TENG的开发是为了有效地收集风能和水能，可以安装在山区收集风能和水流能量为一些传感器供电，实现自供电环境监测。为了展示旋转MDC-TENG的发电能力，它用于以60 rpm的速度直接点亮串联的1888个LED。带有能量管理单元（EMU）的MDC-TENG能将470、1000、2200和3300 µF的电容在3 s内分别充电到6、1.49、0.97和0.64 V。同时，它还用于在水流行驶时为蓝牙湿度计供电，手机可以实时获取数据。此外，带有EMU的旋转MDC-TENG能以60 rpm的速度点亮六个平行的2 W灯泡。最后，24个并联的温湿度计由旋转MDC-TENG以120 rpm的速度有效供电，证明了MDC-TENG出色的输出能量，可作为实际应用中传感器的常规电源。因此，旋转MDC-TENG在收集环境机械能以及构建自供电传感系统方面具有巨大潜力。
图4 MDC-TENG驱动电子设备演示
总结：作者开发了一种基于机械延时开关和电荷空间积累的新设计，旨在实现高直流输出平均功率和高耐用性，以有效收集机械能。机械延时开关和空白摩擦区的设计大大提高了MDC-TENG的输出性能，在TENG领域具有显著优势。这项工作为在物联网中构建自供电传感器系统提供了一种有前景的策略，可以实现高直流输出和高耐用性的TENG。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208783
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
重庆大学机械考研(重庆大学机械考研科目)