萬物互聯的物聯網時代已經到來，各種分布式傳感器、可穿戴設備愈加普及，長期穩定的電能供給問題成為制約產業發展的關鍵瓶頸。作為一種高效的低頻動能收集技術，摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）被認為是一種環境友好、極具潛力的分布式能源解決方案。但是，早期的TENG受制于摩擦介電材料的表面電荷密度較低，靜電感應電流有限，輸出性能有待提高。為了提高表面電荷密度，通常的方法集中在材料選擇、表面改性、結構設計以及環境控制等方面，但性能提升有限。最近興起的電荷泵技術有望進一步提高TENG的輸出性能，然而，大多數的電荷泵技術都是基于輸出性能并不高的接觸分離式TENG且缺少必要的輸出管理電路。同時接觸分離式TENG需要較高的驅動頻率，其輸出的電壓/電流波形為脈沖形式，不利于實現電能的持續有效輸出。因此，探索新的電荷密度增強機制與方法具有重要的科學研究意義和工程應用價值。
近日，由中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士與清華大學機械工程系季林紅教授、程嘉副研究員領導的科研團隊提出了一種新型滑移式電荷泵技術可顯著穩定TENG的輸出電壓與提高輸出電流。該技術基于電荷泵的思想，利用滑移式可變電容器與固定電容間的電荷來回流動以對外輸出電能。通過電源管理模塊來提高可變電容器極板電壓以存儲更多電荷，同時降低輸出電壓并提高輸出電流。利用該電荷泵技術，輸出電壓的波動可降低63.9 %且輸出電流可提高43.4 %，同時實現了1328 μC m-2的表面電荷密度，可在低頻條件下持續供能468 LEDs、電子表和傳感器等小功率電子元器件。該技術對于探索提高TENG輸出性能的新型機制與方法具有指導和借鑒意義。相關研究論文以題為“Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current”于2021年5月18日在國際期刊《Advanced Energy Materials》上在線發表。
圖1 滑移式電荷泵結構與工作原理圖。a.電荷泵結構模型圖。b.主TENG結構組成圖。c.電荷泵工作原理示意圖。d.主TENG潤滑和非潤滑下的電容對比圖。c, f.正負通路中的電荷與電壓曲線圖。
圖2 滑移式電荷泵的電學特征。 a.電流流向調節和電學測量。b, c.初始輸出和加主TENG輸出以及加固定電容器輸出的電壓。d.電壓曲線的FFT。e, f.單周期內輸入和震蕩電荷量。e.平均輸入和震蕩電荷量。
圖3 電學輸出特征對比圖。a倍壓整流器模型圖。b.倍壓整流器輸出電壓圖。c.二倍壓輸出電壓對比圖。d, e.接入兩種整流器后的不同驅動頻率下輸出電壓圖。f.兩種整流器的輸出電壓對比圖。g.不同頻率下接入倍壓器后的輸出電流圖。h.兩種整流器輸出電流對比圖。i.不同頻率下兩種整流器的輸出電流對比圖。j.輸出電能利用原理圖。k.輸出負載特性曲線。
圖4 輸出電能的利用。 a.輸出電壓降低與電流增強電路原理圖。b.實驗測試系統圖。c, d.溫濕度傳感器工作電壓變化曲線圖。e, f.溫濕度傳感器工作實物圖。g, h.電子表和濕度傳感器工作實物圖。i, j. LED燈和熒光管工作實物圖。
團隊提出了一種新型滑移式電荷泵技術，用于提高TENG的輸出電壓穩定性和增強輸出電流。不同于傳統TENG電能輸出，該電荷泵利用可變電容器和固定電容器之間的電荷來回流動對外輸出電能。利用電源管理電路來提高可變電容器極板電壓以存儲更多電荷，并降低輸出電壓和增強輸出電流，可使輸出電壓的波動性降低63.9 %和輸出電流提高43.4 %，同時得到了1328 μC m-2的超高表面電荷密度。研究成果對于探索新型提高TENG輸出性能的方法和策略具有一定的參考和借鑒意義。
該項目研究獲得國家自然科學基金（52075286, U1613207）、國家重點研發計劃（2018YFF0300606）等項目的資助，謹此感謝。
論文信息：
Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current
Ze Yang, Yiyong Yang, Hao Wang, Fan Liu, Yijia Lu, Linhong Ji,* Zhong Lin Wang,* and Jia Cheng*
Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.202101147
https://doi.org/10.1002/aenm.202101147
