客户端

新材料在线APP下载

寻材问料下载

开通会员

精彩推荐

会员享研报折扣价、看项目BP、约投资人、每日在通讯录加更多好友等特权

开通会员 查看会员特权

登录/注册

热门媒体号

热门企业号

《AFM》:基于界面静摩擦的超耐用、高输出滚带式摩擦纳米发电机!

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-04-06

点击:2756

摩擦纳米发电机(TENGs)被广泛用于收集各种高熵机械能,包括人体运动、风能、水能、微振动能等。在各式TENG中,滑动式TENG凭借其更高效的能量收集能力,可以为物联网中的传感器网络提供充足的能量供应。然而,由滑动摩擦引起的热量和材料磨损是这类TENG实现高稳定性和耐用性的瓶颈。为了减少滑动摩擦的负面影响,利用滚杆/滚珠的静摩擦力是解决滑动式TENG机械耐久性的有效策略,但其线/点接触严重降低了输出性能。因此,需要探索一种兼具高性能输出和耐用性的策略。


重庆大学胡陈果教授、郭恒宇博士等人报道了一种基于滚动带策略的具有高输出和超耐用性能的滚带式摩擦纳米发电机(RB-TENG)。与之前的滚杆/滚珠式TENG(R-TENG)相比,RB-TENG的电输出性能提高了近3.8倍最大输出功率密度达到≈280 W m-2。此外,RB-TENG在超过410万次循环后仍保持近98.5%的输出性能,这是迄今为止测量到的在如此长时间内的最高稳定性,且在每10000次循环中材料损失为6.42 µg/g (仅为传统TENG的0.989%)。这项工作为解决滑动式TENG中机械磨损的瓶颈问题提供了一种有效的策略。该研究以题为“Interface Static Friction Enabled Ultra-Durable and High Output Sliding Mode Triboelectric Nanogenerator”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。



【RB-TENG的结构设计和工作原理】


受传送带结构的启发,作者设计了一种滚带式RB-TENG,其可以简单有效地将线/点接触变为平面接触以增加接触面积。RB-TENG主要由硅胶制成的圆带作为独立层以增加接触面积,氟化乙烯丙烯薄膜作为带电层,两片导电金属作为一对对称电极。其电能产生原理是基于面内位移引起的摩擦起电和静电感应的耦合效应。顶部移动层的接触面与底部摩擦电层保持相对静止,顶部移动层通过一端连续接触另一端分离而移动。因此,这种设计可以有效避免滑动摩擦对电输出性能的影响,与R-TENG相比提高了近3.8倍。为了提高输出性能,作者采用自充电激励电路将正电荷注入顶部移动层,电荷密度达到170 µC m-2,远高于报道的其他器件的电荷密度。



图1 RB-TENG的示意图和工作机制



图2独立层的材料选择


【RB-TENG的稳定性和耐用性】


TENG的稳定性和耐用性对其实际应用非常重要。实验表明,RB-TENG在410.4万次循环后仍保持在其最大输出的98.5%以上,这是迄今为止在如此长时间内测得的最高稳定性。而用于对比的传统独立式TENG在34500次循环后,其输出已下降至70%。此外,当电输出性能相似时,RB-TENG的材料磨损和摩擦生热远低于传统独立式TENG。在连续运行19天后,RB-TENG胶带的平均质量从5.0640下降到5.0506 g,平均每10000次质量损失为6.418 µg/g,而对照组的材料磨损(649 µg/g)几乎是RB-TENG的100倍。作者通过热像仪对摩擦电层的表面温度进行观察,当两组TENG连续运行300秒后,RB-TENG的摩擦生热与对照组相比可以忽略不计。这结果表明,在RB-TENG体系中仅有少量机械能被转化为热能,其能量转换效率得到了显著提高。



图3 RB-TENG的长期耐用性


【RB-TENG的性能和应用演示】


作者采用自充电激励电路系统来提高RB-TENG层的表面电荷密度。正电荷会随着运行时间逐渐注入到独立层中,由于静电感应效应而提高,Qsc、Isc分别从128 nC、0.24 µA增加到210 nC、0.54 µA,可点亮串联的454个发光二极管。为了进一步提高RB-TENG的电性能,作者基于电源管理电路(PMC)来增强RB-TENG作为能量收集器的输出性能。经过PMC后,RB-TENG的最大输出电流可达27 mA,当外部负载达到3 kΩ时,实现了339 mW的最大峰值功率。此外,RB-TENG可用于连续驱动商用温湿度监测器。1.33 mF的商用电解电容器在驱动电子设备之前通过RB-TENG充电至2 V。当电压降到1.6V左右时,RB-TENG将重新启动,并将电压稳定在正常工作水平。这些结果证明了该RB-TENG在实际应用中的潜力。



图4增强的输出性能和作为高输出能量收集器的应用


总结:作者通过结构设计将TENG的滑动摩擦转变为静摩擦,以有效减少材料磨损并抑制摩擦生热。该RB-TENG在超过410万个工作循环后仍保持98.5%以上的电力输出。此外,基于自充电励磁电路和有效的电源管理电路,RB-TENG展现了出色的电气性能,可成功驱动商用电子设备。这项工作为在实际应用中实现TENG的机械耐用性和高输出性能提供了新的策略。


封面图片来源于图虫创意 


“本文由新材料在线®平台入驻媒体号高分子科学前沿提供,观点仅代表作者本人,不代表本网站及新材料在线®立场,本站不对文章内容真实性、准确性等负责,尤其不对文中产品有关功能性、效果等提供担保。本站提醒读者,文章仅供学习参考,不构成任何投资及应用建议。如需转载,请联系原作者。如涉及作品内容、版权和其它问题,请与我们联系,我们将在第一时间处理!本站拥有对此声明的最终解释权。”

点击咨询

客服

下载APP

公众号

让客服与您联系

留下您的联系方式,让客服为您提供专属服务

关闭