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  微電子技術與物聯網的高速發(fā)展給人類的生活帶來了巨大的變化，大量分布于環(huán)境中傳感節(jié)點的供電問題已成為傳感網絡向前發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。因此，收集環(huán)境中的清潔能源（海洋能，風能和太陽能等）為傳感節(jié)點持續(xù)有效地提供為實現自驅動傳感網絡提供了一種可持續(xù)而穩(wěn)定的供電策略。王中林院士于2012年提出的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）可將環(huán)境中的機械能有效地轉化為電能，其具有重量輕、材料選擇豐富、結構靈活、易于制造、成本低等優(yōu)點。如何設計一種具有超高輸出穩(wěn)定性，耐久性和低頻下較高能量轉化效率的摩擦納米發(fā)電機仍然是一項挑戰(zhàn)。 

  近日，在中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士的指導下，林志明博士、研究生張彬彬（共同一作）等人提出了一種傳動機構與轉盤式摩擦納米發(fā)電機相結合的發(fā)電機，該設計方案為摩擦納米發(fā)電機的耐久性提升提供了有效的途徑。同時，基于單擺模式的轉盤式摩擦納米發(fā)電機單元可將環(huán)境中的低頻激勵轉化為高頻的電能輸出，提高了能量轉化效率。在受到外界激勵時（如波浪），傳動機構使摩擦層間接觸分離，實現接觸帶電過程。環(huán)境中的擾動使轉盤式摩擦納米發(fā)電機在沒有摩擦阻力的條件下作單擺運動，從而實現低頻激勵下的高頻電輸出。該發(fā)電機連續(xù)工作50萬 次后電輸出僅衰減1.8%。通過收集波浪能，該發(fā)電機可驅動溫濕傳感器實現環(huán)境中的自驅動傳感。該成果以題為“Rationally designed rotation triboelectric nanogenerators with much extended lifetime and durability”發(fā)表在Nano Energy上。 

圖1 摩擦納米發(fā)電機的結構設計

a) 摩擦納米發(fā)電機的水中示意圖。b) 摩擦納米發(fā)電機的結構分解圖。c) 定子和轉子的照片。d) PTFE摩擦層的SEM圖像

圖2 摩擦納米發(fā)電機的工作原理

a) 摩擦納米發(fā)電機的接觸帶電過程。b) 摩擦納米發(fā)電機的靜電感應實現電輸出過程。

圖3 摩擦納米發(fā)電機的轉移電荷測量

a) 摩擦納米發(fā)電機所受環(huán)境激勵示意圖。b)不同激勵次數的轉移電荷數量。c) 連續(xù)激勵轉移電荷數量曲線。d) 不同激勵間隔時間的轉移電荷數量曲線。e) 不同激勵作用力的轉移電荷數量曲線。e) 不同激勵角度的轉移電荷數量曲線。

圖4 摩擦納米發(fā)電機的輸出性能

a) 不同激勵加速度的電壓和電流輸出。b) 單次激勵下電輸出特性。c) 在各種負載下的峰值電流、電壓和峰值功率輸出。d) 摩擦層表面電荷數量的變化。e) 摩擦納米發(fā)電機電輸出的耐久性測試。

圖5 摩擦納米發(fā)電機在水波中的能量收集性能和應用演示

a) 摩擦納米發(fā)電機的整流輸出陣列示意圖。b) 單一摩擦納米發(fā)電機中嵌入不同數量摩擦層的電輸出對比。c) 嵌入不同數量摩擦層的充電測試對比。d) 水波驅動下，摩擦納米發(fā)電機點亮“OCEAN”LED的照片。e) 摩擦納米發(fā)電機驅動溫濕傳感器的照片。

  本文中報道了一種提高摩擦納米發(fā)電機耐久性與低頻下高效輸出的方法，其通過感受外部激勵的傳動機構使轉盤式摩擦層接觸和分離，轉盤式摩擦納米發(fā)電機在外部擾動下，可無摩擦阻力作單擺運動實現電能輸出。該摩擦納米發(fā)電機大大提高了工作的耐久性和低頻下的能量轉化效率，可為環(huán)境中的傳感節(jié)點持續(xù)供電。作者相信這一方法將有助于摩擦納米發(fā)電機耐久性的進一步研究。 

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104378