2019-04-15 21:44:01
新一代摩擦纳米发电机TENG可实现静电击穿的恒定电流

近年来,科学家们致力于将环境能源转化为电能,以满足对更清洁,更可持续电源的持续需求。收集环境机械能作为一种环保方法是一种很有前途的解决方案,并且在物联网(IoT)中构建可穿戴电子设备和传感器网络方面发挥着重要作用。摩擦纳米发电机(TENG)是一种自动,可行的解决方案,可将机械能转换为电能,特别是满足物联网(IoT)不断增长的需求。

在目前的工作中,Di Liu及其在纳米能源和纳米系统,材料科学与工程系以及中国和美国的纳米科技部门的同事开发了下一代TENG,通过耦合摩擦起电效应实现恒定电流输出和静电击穿。他们获得了摩擦电荷密度(430μCm-2),远高于传统TENG-受静电击穿限制的那些。该研究的结果现已发表在Science Advances上,以促进用于物联网的自供电系统的小型化,并提供采用机械能的范式转换技术。

对于材料科学中的可穿戴技术而言,具有高储能性能的轻质且可穿戴的电源模块是理想的。它们通常可以通过将可再充电的能量存储装置,即电池或超级电容器直接集成到织物中来实现。通过电磁发生器(EMG),压电纳米发电机(PENG)和摩擦电纳米发电机(TENG)技术的研究,机械能量收集引起了很多关注。

虽然EMG基于法拉第的电磁感应定律,适用于大规模发电,但PENG可以在自供电的小型设备中将微小的物理变形转换为电能。传统的TENG在摩擦电效应和静电感应的基础上展示了具有成本效益,清洁和可持续的特性,将能量转化为电能。 TENG还提供轻质,小尺寸,多种材料选择,即使在低频率下也具有高效率。

传统的TENG由于整流器(校正器)的要求而被扣留,例如旋转整流桥以产生DC输出,这限制了其便携性。此外,交流供电的TENG需要通过传感器集成进行电磁屏蔽,这会降低其在小型化设备中的容纳程度。脉冲输出可以产生非常高的波峰因数,这是输出不稳定性的关键指标,其影响能量存储和电子器件的性能,其中优选恒定输入。虽然最近使用滑动肖特基纳米接触技术实现了恒定的直流输出,但输出电压太低而无法直接驱动电子设备。在目前的工作中,刘等人。因此发明了DC-TENG,通过直接耦合摩擦起电效应和静电击穿作为范式转换技术来解决这些问题并产生恒定的DC。

DC-TENG的工作原理依赖于在周围环境中接触的两个表面之间的摩擦带电或电荷转移,类似于琥珀效应和闪电背后的相同自然原理。为此,刘等人。在下一代DC-TENG设置中,采用电荷收集电极(CCE),摩擦电极(FE)和摩擦电层诱导人工闪电。在实验中,科学家们使用铜电极作为CCE和FE,并将聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为摩擦电层附着在丙烯酸片上。

基于电极和PTFE薄膜之间的初始对准,Liu等人。在PTFE薄膜上产生准永久电荷。他们在介质中移动了一个滑块,在CCE和带负电的PTFE薄膜之间建立了一个非常高的静电场。当静电场超过它们之间的介电强度,其值约为3kV / mm时,附近的空气变得部分电离而开始导电。该技术在实验中导致电子从PTFE流向CCE,合理地引起空气击穿并产生人造闪电。

与没有利用空气击穿能量的传统TENG不同,Liu等人。使用CCE有效收集这些费用。简言之,在他们的实验装置中,FE上的电子通过摩擦带电转移到PTFE,然后通过静电击穿传输到CCE,最后通过外部电路传输到FE。当滑块在实验中返回其初始状态时,由于CCE和PTFE薄膜之间没有电位差,外部电路中没有电流流动。

通过这种方式,科学家通过周期性地移动滑块产生循环DC,他们测量了由电容器的单向介电击穿产生的DC,以产生持续的传导电流。刘等人。表明DC-TENG通过介电击穿收集的电荷量大于使用静电感应通过常规TENG收集的电荷量,并且旨在使用这种新的范例作为收获闪电能量的原型。他们打算研究这个过程的详细机制,并在未来形成一个精确的理论模型。

在本研究中,刘等人。设计了两种DC-TENG模式:滑动模式和旋转模式。为了实现滑动过程,科学家使用线性马达并使用商用马达来驱动旋转过程。他们使用扫描电子显微镜(SEM)图像来观察PTFE表面上的纳米线电极(CCE和FE)。当他们沿着带电层移动滑块时,科学家们在PTFE和CCE之间的空气击穿过程中捕获了电晕放电现象为绿色发光,这是设备运行期间空气击穿的可靠证据。

他们使用Isoprobe静电电压表测量PTFE的表面电位,通过静电击穿显示静电放电,然后使用可编程静电计测量DC-TENG的短路电流和转移电荷。为了测量滑模DC-TENG的开路电压,他们使用混合域示波器 - 所有结果都表现出良好的DC输出特性。

刘等人。表明DC-TENG的初始电荷密度高于传统的TENG(~70μCm-2)(330μCm-2)。为了提高电荷密度,科学家们使用电感耦合等离子体工艺在PTFE表面上引入了纳米结构,以修改材料并在430μCm-2下实现六倍的电荷密度增强。工作表明,通过对PTFE薄膜表面进行简单的结构优化,可以提高系统的输出性能。当刘等人。在3000次循环后测量DC-TENG的长期输出电流,直流输出电流几乎保持稳定,证实了设置的优异稳定性。

同时,科学家们同样测量了旋转模式DC-TENG的输出性能。该装置的结构包含一个定子和一个旋转器,很像滑动模式DC-TENG,Fes和CCE连接在一起。和以前一样,科学家们进行了测量,以显示发电如何依赖于旋转器和定子之间的相对旋转,以获得比传统DC-TENG更好的性能。

由于其连续的直流输出,刘等人。展示了新型DC-TENG在不使用整流器的情况下驱动电子设备的应用。对于器件功能化,自供电DC-TENG能够通过转换机械能直接驱动电子设备。作为一个原理验证,科学家们形成了一个直接由滑动模式DC-TENG和由旋转DC-TENG驱动的科学计算器驱动的电子表。此外,他们形成了一个发光二极管(LED)灯泡阵列,可以通过DC-TENG的旋转模式点亮,与通过传统TENG驱动的LED不同,这些LED灯在恒定的发光下保持不闪烁。

就这样,刘等人。通过设计基于摩擦起电和静电击穿的耦合效应的下一代DC-TENG,实现了机械能转换为恒定输出电流。他们使用滑动模式DC-TENG和旋转模式DC-TENG来演示机制,导致电荷密度值比传统器件高得多(430μCm-2)。旋转TENG的波峰因数接近1,表明恒定电流输出。

新型DC-TENG是一种有效的策略,可以在没有整流器的情况下直接收集机械能和电力电子设备或直接为储能单元充电。将机械能转换为电能的范式转变也可以促进物联网中可穿戴电子设备和传感器网络中自供电系统的小型化。刘等人。进一步设想该设备作为未来收获闪电能量的原型。

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