基於高性能球形摩擦納米發電機的多合一環境電源

2020-08-27 鋰電匯

研究背景

隨著物聯網時代的到來，傳感器等電子設備廣泛地應用在市場生活中，對電能的供應提出了新的要求。雖然電池在某些情況下可以滿足應用，但電池充電或更換會導致額外的維護成本和管理困難，特別是在野外和密閉空間等特殊應用中。因此，將環境能量就地收集並實現供電的自驅動技術成為當前一個重要的發展方向。

王中林院士提出的摩擦納米發電機技術能夠有效收集環境中的低頻能量，並逐漸得到迅速發展。因為環境中的能量，如風能、雨水能、太陽能等，往往具有固有的特性，而且分布在特定的時間或地點；此外，惡劣的室外環境條件也對器件的正常運行產生很大影響。因此，研製一種適應性廣、能穩定供電的器件具有重要意義。

文章簡介

近日，北京納米能源與系統研究所王中林院士課題組與華中科技大學高義華教授課題組等合作，在國際頂級期刊Advanced Energy Materials (影響因子：25.245) 上發表題為「Hybrid All‐in‐One Power Source Based on High‐Performance Spherical Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Environmental Energy」的研究工作，提出了環境電源（Environmental power source）的概念。

與化學電源相對應，環境電源根據周圍環境提供電能，對複雜環境具有良好的適應性和環境友好性，能與周圍環境高度融合，實現電子設備的免維護部署。為了實現上述特點，研究團隊設計了一款高性能球形封裝摩擦納米發電機，通過環形邊緣結構，可以有效地同時捕獲風能和雨水能量，可以實現平均功率輸出5.63mW，並可以同時點亮1160盞LED燈。

該器件集成了太陽能電池，可以一體化收集風能、雨水、太陽能等常見的環境能源，通過多能源互補實現全天候可靠供電。良好的封裝結構使該裝置能廣泛適應各種複雜和惡劣的環境條件，包括管道在內。研究工作還實現了土壤溼度檢測（智能農場）、森林防火、管道傳感等場景的應用，展示了該器件廣闊的應用前景。

本文的共同第一作者是華中科技大學博士生徐靈禕（北京納米能源與系統研究所聯合培養研究生）、北京納米能源與系統研究所副研究員許亮、博士後駱健俊。

王中林院士和高義華教授是本文的共同通訊作者

要點解析

要點一： 多合一環境電源的工作概念圖以及基本工作原理

圖1. 多合一環境電源的概念、結構和工作原理圖

（a）環境電源工作的概念圖。

（b）器件的結構圖。

（c）單個摩擦納米發電機單元的工作原理圖。

圖1展示了多合一環境電源的概念、結構和工作原理

其中（a）圖簡要介紹了器件在環境中收集能量並進一步為傳感器等負載供能的流程圖，它可以適應多種複雜的環境，並利用環境中的多種能量為器件供電。

（b）圖介紹了此器件的基本結構：包括對稱布置於四個旋轉臂上的高性能球形摩擦納米發電機和太陽能電池，其中球形摩擦納米發電機具有三維多層結構。

（c）圖則介紹了此球形摩擦納米發電機的工作原理。在轉動過程中，FEP顆粒由於重力作用，在兩電極間移動，驅動電子在外電路流動產生電能。

要點二：球形摩擦納米發電機的基本輸出性能

圖2. 球形摩擦納米發電機的基本輸出性能

（a）器件的實物照片。

（b-e）單個球形摩擦納米發電機的短路電流、轉移電荷量、開路電壓以及輸出功率。

（f）單個摩擦納米發電機為不同電容充電的性能。

（g，h）四個球形摩擦納米發電機的並聯短路電流和輸出功率。

（i）四個球形摩擦納米發電機為不同電容充電的性能。

圖2展示了球形摩擦納米發電機的基本輸出性能。在給定轉速的驅動條件下，器件可以實現接近直流的連續電流輸出，器件的平均功率可達6.59mW。

要點三：器件的受力分析

圖3. 器件的受力分析

（a）風場中三種方位的球形摩擦納米發電機的受力測試示意圖。

（b）不同方位下風速和受力之間的關係。

（c）利用COMSOL仿真計算的風速分布。

（d）利用COMSOL仿真計算的壓力分布。

在圖3中，研究了風場中不同方位的球形摩擦納米發電機的受力情況。通過實驗和COMSOL仿真計算證實了器件可以在風場中有效地利用風力轉動器件，並驅動摩擦納米發電機工作產生電能。


要點四：不同模擬環境中多合一環境電源的輸出性能

圖4. 不同模擬環境下多合一環境電源的輸出性能

（a）風力驅動下點亮1160個LED燈。

（b）模擬下雨環境下點亮1160個LED燈。

（c）多合一環境電源的電路示意圖。

（d）風力驅動下四個球形摩擦納米發電機的短路電流。

（e）7.3m/s風速下摩擦納米發電機為不同電容充電的性能。

（f）7.6m/s風速下器件的輸出功率。

（g）多合一環境電源在光照及風力等不同環境條件下的短路電流。

（h）模擬的不同下雨環境中，多合一環境電源的短路電流。

圖4為在模擬環境中多合一環境電源的輸出性能，表明器件可以有效地收集環境中的風能、太陽能和雨滴的能量，實現高性能輸出，在風力驅動下的平均功率可以達到5.63mW。為了讓多合一環境電源可以在多種不同環境下工作，對器件進行了較好的封裝處理，使其可以在潮溼甚至下雨的環境中工作。

要點五：多合一環境電源的應用場景

圖5. 多合一環境電源的應用場景

（a）基於多合一環境電源的自驅動監測系統的基本結構。

（b）太陽能電池、球形摩擦納米發電機以及二者複合下為電容充電的比較。

（c）基於多合一環境電源的自驅動土壤溼度監測系統。

（d）自驅動土壤溼度監測過程中儲能電容的充放電過程。

（e）基於多合一環境電源的森林防火監測系統。

（f）基於多合一環境電源的管道溫度監測系統。

（g）多合一環境電源的應用展望。

圖5中展示了基於多合一環境電源的若干自驅動系統，實現了自驅動土壤溼度監測、森林防火監測、管道溫度監測等應用場景，展示了多合一環境電源對於不同環境的廣泛適應性。該器件將在未來更多樣的環境條件中具有廣闊的應用前景。

結論

綜上所述，本文提出了一種可廣泛適應環境並收集多種環境能量的多合一環境電源。通過合理的結構設計，該器件將高性能球形摩擦納米發電機與太陽能電池集成，使其能夠有效地從風、雨滴和陽光中獲取能量。帶有環形邊沿結構的4個球形摩擦納米發電機在風中可獲得幾乎連續的直流電流輸出和5.63mW的高平均功率，並可點亮1160個LED燈。

此外，器件的良好封裝能保證其在惡劣環境下穩定工作。通過與太陽能電池互補，整個多合一環境電源可以作為一個可靠的全天候電源，適應多種複雜的環境，支持環境中的電子設備工作。文中實現了若干典型的應用場景，展示了其在物聯網時代各種分布式環境設備中的巨大應用潛力。

文章連結:

Hybrid All‐in‐One Power Source Based on High‐Performance Spherical Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Environmental Energy

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001669

作者：徐靈禕，駱健俊#，閆英，賈貝爾，楊曉丹

通訊作者：高義華*，王中林*

單位：北京納米能源與系統研究所，華中科技大學，中國科學院大學，喬治亞理工學院，大連理工大學，浙江大學

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