西安電子科大崔暖洋副教授在摩擦納米發電機研究取得的新進展

2020-09-05 小材科研

近期，國際知名學術期刊Energy & Environmental Science（影響因子33）報導了西安電子科技大學先進材料與納米器件研究所團隊在摩擦電納米發電機領域的最新研究工作「Increasing the output charge quantity of triboelectric nanogenerator through frequency-multiplying with multi-gap structure friction layer」。該項工作由崔暖洋、代翠華、劉金妹、顧隴等青年教師及研究生在秦勇教授的指導下合作完成。

傳感器經過幾十年的發展，諸如物聯網之類的大規模傳感器網絡為我們的生活帶來便利，但是如何為廣泛使用的傳感器供電一直是限制其應用的瓶頸。傳統的電源，例如傳輸網絡或化學電池，無法充分適應分布式和小型化傳感器或其他功能性電子設備，需要一些更可靠的分布式和分布式電源可持續能源。可以在周圍環境中收集機械能的摩擦電納米發電機（TENG）具有成為小型電子設備理想電源的潛力。

在提高輸出性能方面，TENG經歷了巨大的發展。從選擇不同的材料，設計新的器件結構到構造納米結構以及其他表面改性技術，已開發出不同的方法來逐步提高TENG的性能。而且幾乎所有這些努力都是為了有效提高TENG摩擦層的電荷密度。根本原因是因為電荷輸出能力與摩擦層的表面電荷密度和輸出電流頻率成正相關。摩擦層中存在的靜電荷越多，則感應電荷將在外部電路中移動的越多。一般認為輸出電流頻率取決於TENG驅動模式的驅動頻率。如果可以在相同的驅動模式下可以提高輸出頻率，則可以進一步提高TENG的輸出性能。

基於此，在這項工作中，該團隊開發了一種具有多間隙結構摩擦層的新型TENG，這些間隙的存在會在摩擦層之間產生更多的接觸，從而產生更多分離的摩擦電荷和更多的輸出電荷量。此外，這些間隙還使TENG在每個驅動周期中產生更多的輸出電流脈衝，這意味著輸出電流的頻率將是驅動頻率的幾倍。在一個驅動周期中，在摩擦層中沒有間隙的一般TENG產生2個電流脈衝，並輸出0.23 nC/cm2單位面積電荷量，而在摩擦層中具有7個間隙的TENG產生大約14個電流輸出脈衝，並且輸出294 nC/cm2單位面積費用數量，是目前記錄值的1.18倍。這項工作將有助於TENG的性能快速提高並加快其應用。

來源：西安電子科技大學

全文連結

https://doi.org/10.1039/D0EE00922A

相關焦點

  • 摩擦納米發電機的電源管理策略與電力摩擦電子學研究獲進展
    摩擦納米發電機目前可以輸出很大的功率，但受高輸出阻抗特性的制約，其對儲能器件的直接充電效率極低，也無法直接為用電器件供電，有效的電源管理成為了摩擦納米發電機推廣和實用化的難點與技術瓶頸。　　近年來，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員張弛和王中林領導的研究團隊一直致力於摩擦納米發電機電源管理技術的研究，並取得了突破性進展。
  • 新一代恆流摩擦納米發電機研究獲進展
    該論文報導了一種基於摩擦起電和介質擊穿的新一代摩擦納米發電機，首次實現了基於摩擦起電和空氣擊穿的恆流電輸出，基本原理類似於人工產生和收集「閃電」的能量。同時，摩擦電荷密度高於大氣環境下受限於空氣擊穿的傳統摩擦納米發電機的電荷密度。這一新穎的直流摩擦納米發電機已經被證實可以直接驅動電子器件不需要外接整流橋或能量存儲單元。
  • 浙江大學海洋學院摩擦納米發電機研究取得新成果 相關論文在《納米...
    基於接觸起電和靜電感應的摩擦納米發電機，可以有效地將環境中以各種運動形式存在的機械能轉化為電能。同時，通過調整摩擦電材料的組成，來實現不同的摩擦電性進而實現不同的電學輸出。海洋學院研究團隊經過持續的研究，新提出了一種基於海藻酸金屬絡合物的具有可調控輸出特性的摩擦納米發電機，可用做自驅動智能鍵盤傳感系統。
  • 納米發電機:摩擦也能帶來「正能量」
    在不久前召開的以「納米能源與壓電（光）電子學發展前沿」為主題的第538次香山科學會議上，記者了解到，基於納米能源與壓電電子學理論而研發出來的摩擦納米發電機，讓摩擦發電不再是幻想。世上最小的發電機這種摩擦納米發電機，其機械能轉化效率是50%—80%，可以為微小電子器件、納米機器人提供電力，使之真正實現自驅動納米能源是指基於納米技術和納米材料的能源轉換與能源存儲技術。
  • 電大「可穿戴納米發電機」研製取得新進展
    最近，我校電子科學與工程學院張曉升教授課題組做出了讓人驚喜的成果：以編織物為器件基底材料，竟然可以把「衣服」做成「納米發電機」，穿在身上動一下、皺一下都能發電，而且這種「衣服」穿起來很舒適。
  • 第97集 神奇的摩擦納米發電機
    其實，摩擦發電機主要利用了摩擦起電和靜電感應這兩個原理。摩擦起電的實質是電子的轉移，任何兩個物體摩擦時,電子由一個物體轉移到另一個物體,得到電子的物體帶負電，失去電子的物體帶正電；而靜電感應則是在外電場作用下，使導體中的電荷重新分布的現象。
  • 摩擦納米發電機在自供電電子皮膚領域的最新研究進展
    華東理工張玲/李春忠教授《納米能源》：基於MXene-AgNWs-MXene-PU的TENG，用於自供能可穿戴傳感器近年來，摩擦納米發電機（TENG）作為下一代電子設備的自供能裝置受到了廣泛的關注。然而，基於目前的研究工作來看，仍無法同時實現TENG的拉伸性和透明性。
  • 王中林獲愛因斯坦世界科學獎,被譽為「納米發電機之父」
    2006年，王中林成功地研製出世界上最小的發電機——納米發電機，被譽為是「納米發電機之父」。他同時也是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人。王中林教授。Feynman）發表《底部還有很大空間》（There's Plenty of Room at the Bottom）演講，「納米」一詞被世界廣泛關注。1978年，王中林考取了西北電訊工程學院（西安電子科技大學的前身），學習物理，同時也開啟了他的勵志「開掛」人生。
  • 頂刊《EES》突破性進展!摩擦電納米發電機起電材料
    自2012年以來，摩擦電納米發電機（TENG）由於其普遍適用性強，成本低，效率高逐漸成為機械能量收集和分布式微能源領域的主流技術。TENG的發展可以服務於物聯網的信息採集技術、智能監控系統以及靜電驅動、靜電除塵等高電壓應用領域。
  • 納米發電機之父王中林獲愛因斯坦世界科學獎(附簡歷)
    2006年，王中林成功地研製出世界上最小的發電機——納米發電機，被譽為是「納米發電機之父」。他同時也是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人。愛因斯坦世界科學獎」（Albert Einstein World Award of Science）揭曉，西電校友、西安電子科技大學先進材料與納米科技學院名譽院長、中國科學院外籍院士、歐洲科學院院士王中林斬獲這一世界性的大獎，成為首位獲此殊榮的華人科學家。
  • 超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發電機性能紀錄
    通過收集環境中的機械能——日常生活中普遍存在卻被浪費掉的能量，摩擦納米發電機在自驅動傳感網絡和大規模可再生藍色能源領域均有很好的應用前景。作為一種能量收集器件，摩擦納米發電機的應用及商業化強烈地依賴於它的功率密度，而功率密度又與摩擦電荷密度成二次方關係。
  • 物理科學學院龍雲澤課題組在納米能源領域取得重要進展
    新聞網訊 近日，物理科學學院龍雲澤課題組王曉雄在摩擦電納米發電機領域取得重要進展，相關成果以「Anisotropic nanogenerator for anticounterfeiting and information encrypted transmission」為題發表在國際能源領域著名期刊
  • 混合納米發電機最新研究進展 | 一周編輯精選
    混合納米發電機研究進展隨著世界對可替代能源需求的增加，綠色能源收集的發展變得越來越重要。因此，摩擦發電機(TENG)、壓電發電機(PENG)、熱釋電納米發電機、電磁發電機(EMG)、太陽能電池和電化學電池的發明引起了人們對將機械、熱能、磁性、太陽能和化學能轉換成電能的興趣。為了充分利用周圍環境產生的能量，人們設計發展能夠同時以各種形式收集能量的雜化發電機組。
  • 柔性隨機波浪摩擦納米發電機
    打開APP 柔性隨機波浪摩擦納米發電機 胡薇 發表於 2018-05-15 15:30:22 近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所朱光研究團隊提出了基於固/液界面摩擦起電和二維陣列電極發電集成的柔性隨機波浪摩擦納米發電機，高效率地收集轉換波浪能並用於驅動無線傳感電路定時發射無線信號。該工作利用二維陣列電極整流晶片集成結構設計將二維多方向運動的隨機波浪機械能收集轉換為電能輸出，在多種隨機波浪情況下均能高效率地收集和轉換波浪機械能。
  • AEnM:高功率旋轉泵浦摩擦納米發電機
    表面摩擦電荷密度對於摩擦納米發電機的性能至關重要，一般實現的電荷密度均在250μC/m2以下，低電荷密度使得高功率摩擦納米發電機研究一直難以突破。中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士領導的研究團隊於2018年首次提出了電荷泵浦（Charge pumping）的策略，通過泵浦產生約束電荷，基於接觸分離式摩擦納米發電機實現了1020μC/m2的電荷密度，突破了一般的認知，達到了通常認為在大氣環境下無法達到的超高電荷密度，向實用化的高功率器件的實現邁出重要一步。
  • 王中林院士Nano Energy綜述:摩擦納米發電機網絡構築藍色能源夢
    這些弊端使得當前海洋能採集裝置的能量效率不是很理想，導致利用海洋能發電這一重要研究領域一直進展緩慢，仍處於樣機開發與試驗運行的初級階段，並且，世界上還沒有商用的大範圍波能收集的裝置。2006年，王中林院士所在團隊發明了通過壓電效應收集環境中機械能的納米發電機，開闢了能源轉化和應用的新領域。
  • 摩擦就可以發電?新型納米發電機問世
    基於摩擦起電和靜電感應引發的能源革命預期比肩法拉第電磁感應發電機的巨大應用前景——王中林:《摩擦納米發電機》納米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與傳感方面的另一重大應用，有可能引領技術革新並深刻改變人類社會。摩擦納米發電機由王中林及其團隊於2012年首先發明，其目的是利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能。這是一種顛覆性的技術並具有史無前例的輸出性能和優點。它既用不著磁鐵也不用線圈，在製作中用到的是質輕、低密度並且價廉的高分子材料。
  • 脈衝式摩擦納米發電機:無電源亦可釋放大能量
    作為一種全新的能源技術，基於摩擦起電與靜電感應效應耦合的摩擦納米發電機（TENG）可以直接將環境中微小的機械能轉換為電能，例如可以收集空氣或水的流動、引擎的轉動，甚至是人在走路、說話、心跳、肌肉收縮等運動中由摩擦產生的能量。
  • 基於高性能球形摩擦納米發電機的多合一環境電源
    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。
  • 新型摩擦納米發電機問世：「旗形」構造，高效採「風」
    近日，大連海事大學輪機工程學院教授徐敏義團隊提出並系統性研究了一種新型防潮且自適應風向的旗形摩擦納米發電機。其不僅可在潮溼環境下高效收集不同方向的風能，還能測量風速，實現風速傳感，為無線傳感網絡的供電問題提供了一種新穎的解決方案。相關研究成果已發表於《納米能源》雜誌。