納米能源所:基於電荷累積策略的可持續高電壓輸出摩擦納米發電機

2020-11-28 騰訊網

摩擦電納米發電機（TENGs）作為各種能源採集技術中的佼佼者，能將機械能瞬間轉化為電能，具有極高的能量轉換效率。同時TENG的材料選擇和結構設計也非常靈活，具有重量輕、成本低、通用性強等前所未有的優勢。TENG的主要應用可分為四個領域：微納電源、自供電傳感器、大規模藍色能源和直接高壓電源。

高電壓、低電流的固有特性使得TENG成為傳統高壓電源的一種新型替代品，具有前所未有的便攜性和安全性。然而，TENG的最大轉移電荷是一個有限的值，這意味著來自TENG的高輸出電壓衰減很快，且一旦有有限的電荷轉移，高壓就無法維持。通常，絕緣性良好的單電極TENG可以獲得大於2kV的瞬時輸出電壓，而摩擦表面較大的獨立層式TENG可以產生15kV的瞬時電壓，但由於靜電電荷的鬆弛，這些電壓值通常只能維持1~2秒。接觸分離式TENG通過電荷通道補償，可以達到7kV穩定高壓輸出;而盤式TENG通過接入倍壓整流電路，可獲得8kV高壓輸出，這已經是目前TENG穩定高壓輸出的極限。然而，還有許多的應用需要更高的穩定電壓輸出（>10kV），諸如基於電泳/介電泳技術的油液淨化，現有TENG系統不能滿足相應輸出需求。因此，為了滿足各種超高壓應用的需要，進一步提高TENG的持續電壓輸出仍有必要。

針對這一問題，中科院北京納米能源與系統研究所研究團隊開發了一種類似電泵浦原理的電荷累積策略來提升可持續輸出電壓的摩擦納米發電機（sustainable high-voltage TENG , SH-TENG）。近期，在Energy & Environmental Science上發表了題為 「Sustainable High Voltage Source based on Triboelectric Nanogenerator with Charge Accumulation Strategy」的研究論文。

圖1. SH-TENG的結構示意圖。其優異的可持續高電壓輸出性能，可輕鬆點亮8000盞串聯LED燈。在靜電紡絲系統以及油液過濾系統的應用中也表現出優異的性能。

與傳統盤式TENG的設計有所不同的是，SH-TENG主要採用極化器、轉盤、導流橋和兩對集電器(如圖1)，藉助轉盤與極化器摩擦起電產生的強烈靜電場，配合導流橋分離轉盤電極上由靜電感應得到的正負電荷，並通過轉盤和在其上的輸電電極的單向旋轉，將分離出的正負電荷持續不斷注入兩對集電器形成電荷累積，從而在兩對集電器之間產生可持續的高電壓輸出(如圖2)。集電器與旋轉輸電電極的不斷接觸分離可以省去了電泵浦式發電機的二極體系統。該發電機的設計靈感也有一部分來源於傳統的萊頓瓶靜電起電機，但不同之處在於我們在旋轉圓盤的底部設計了兩個帶有相反極性的聚合物極化器以及相應的勵電電極。勵電電極與聚合物極化器的不斷摩擦可以保證聚合物材料表面的電荷密度始終處於飽和狀態。極化器可以調控輸出電壓的極性（正轉為正電壓，反轉為負電壓），也能夠加速輸出電壓的攀升速度。傳統的萊頓瓶靜電起電機無法嚴格控制輸出電壓的極性，電壓攀升速度也相對較慢。我們改進後的SH-TENG具有更優異的性能。更重要的是，有了聚合物極化器對電壓的保持，我們可以節省掉萊頓瓶蓄電器這樣笨重的結構，大大提升了器件的實用價值。

圖2. SH-TENG的工作原理圖。a）SH-TENG初始狀態示意圖。b） SH-TENG一個完整周期的工作原理，以及在一個完整的周期內五個連續階段的電流輸出狀態。

通過優化的參數設計，SH-TENG可實現超過20kV的可持續高壓輸出，並可輕鬆持續點亮8000盞串聯的LED燈陣，展現出現有TENG設備前所未有的高壓輸出能力。基於SH-TENG優異的可持續高壓輸出表現，結合電泳/介電泳技術，我們首次提出了一套自供電的油液淨化系統(如圖1)。SH-TENG的超高電壓可以極化並收集廢油中的懸浮顆粒，此系統可在低轉速的運行狀態下100秒內淨化50ml變壓器油液中的懸浮雜質顆粒（碳粉以及LDPE），證明此系統對油液中導電顆粒和介電顆粒的淨化具有普遍適用性。這種結構簡單、功耗為零的基於TENG的油液淨化系統為變壓器油和潤滑油回收行業提供了不同的途徑，符合當前節能環保的主題。此外，這種SH-TENG可以直接驅動兩種典型的高壓器件，即介電彈性體驅動器（DEAs）和靜電紡絲系統，顯示出SH-TENG優越的驅動性能。通過將這種SH-TENG直接應用於DEA，證明了一種自驅動的TENG-DEA系統能夠提供56%的擴展應變，在智能執行器或微型機器人領域顯示出巨大的潛力。這種SH-TENG驅動的自供電靜電紡絲系統在PVA納米纖維的製備中也表現出了優異的性能，與商用靜電紡絲機相當。因此，SH-TENG作為一種穩定的超高壓電源具有廣闊的市場前景。

來源：納米能源所

文章連結：

https://doi.org/10.1039/D0EE01236J

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