深圳先進院等研發出一種摩擦納米發電機的可編程策略

2020-09-26 嶺南科苑

今日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微納系統與仿生醫學研究中心王昊副研究員團隊提出了一種對於納米摩擦發電機器件進行可編程操作的策略，實現了不依賴於摩擦界面材料的改進，單純通過設定的操作程序實現電荷在器件內循環累積實現超高電壓輸出。相關論文Programmed-triboelectric nanogenerators—A multi-switch regulation methodology for energy manipulation（可編程的摩擦納米發電機-一種基於多開關調控的能量操作策略）在線發表於能源材料頂級期刊Nano Energy (IF= 15.2)上(DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105241)。深圳先進院王昊副研究員是論文共同第一作者。

摩擦納米發電機由於其結構簡單、生產成本低、適用性廣，能夠將包括風能、水能和人體運動等機械能轉化為電能等特點，被廣泛運用於能量收集，物聯網設備的自供能電源和各類自供能傳感器等，因而受到廣泛關注，被認為是將來實現物聯網最有希望的能源方案之一。

傳統的摩擦納米發電機通過按壓或者滑動的方式，將兩種不同電負性材料摩擦所生成的靜電荷與背後的電極板產生靜電感應，因而在外接負載上生成電流。為了增大摩擦納米發電機所產生的能量，一般的研究方向是通過材料的改進以增大表面靜電荷密度或通過結構的改進以提高能量收集的效率。

然而，王昊團隊提出了第三種對於提高摩擦納米發電機能量輸出的可能研究方向，即改進操作程序。傳統的摩擦納米發電機的操過程涉及到了電荷生成、電荷轉移和能量生成三個更基本的物理過程，這裡稱為元操作。傳統的摩擦納米發電機操作（按壓或滑動）實際上是這三個元操作按照一個特定時序與組合的循環，可以被認為是一個最簡單的程序（即三個元操作的時序和組合）。

顯然，這三個元操作能以更複雜的時序與組合進行循環操作，在生成能量的同時實現電荷在系統內的循環累積，導致輸出能量隨著程序運行的持續增長，直至其電壓過高擊穿器件內部的介電質時達到最大值。

通過編程以提高摩擦納米發電機能量輸出的方案有以下優點：第一，可編程摩擦納米發電機的最大輸出並不受摩擦界面的材料影響。第二，其最大電壓僅受電極板間介電質擊穿電壓的限制，因此其器件的優化主要注重於提高介電擊穿電壓。第三，理論上存在無數種可能的程序，可以適配於各類機械操作方式。研究展示了三種可能的程序，通過不同的機械結構，通過不同類型的物理操作（比如單向運動，來回運動或旋轉運動）輕易的實現1.5 kV-1.8 kV的高壓輸出。因此基於不同的應用場景和物理操作方式設計並優化程序成為摩擦納米發電機另一個替代研究方向。

該項研究得到廣東省科學技術基礎研究和深圳基礎研究等項目的資助。

圖1. 傳統摩擦納米發電機的操作機制與分解出的三種元操作

圖2. 可編程摩擦納米發電機的程序案例之一：電荷振蕩器

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