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清华大学机械系智能与生物机械实验室AEM:滑移式电荷泵稳压增流技术提升摩擦纳米发电机性能

万物互联的物联网时代已经到来,各种分布式传感器、可穿戴设备愈加普及,长期稳定的电能供给问题成为制约产业发展的关键瓶颈。作为一种高效的低频动能收集技术,摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,简称TENG)被认为是一种环境友好、极具潜力的分布式能源解决方案。但是,早期的TENG受制于摩擦介电材料的表面电荷密度较低,静电感应电流有限,输出性能有待提高。为了提高表面电荷密度,通常的方法集中在材料选择、表面改性、结构设计以及环境控制等方面,但性能提升有限。最近兴起的电荷泵技术有望进一步提高TENG的输出性能,然而,大多数电荷泵技术都是基于输出性能并不高的接触分离式TENG且缺少必要的输出管理电路。同时,接触分离式TENG需要较高的驱动频率,其输出的电压/电流波形为脉冲形式,不利于实现电能的持续有效输出。因此,探索新的电荷密度增强机制与方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

近日,由清华大学机械工程系季林红教授、程嘉副研究员与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作的科研团队提出了一种新型滑移式电荷泵技术,可显著稳定TENG的输出电压与提高输出电流。该技术基于电荷泵的思想,利用滑移式可变电容器与固定电容间的电荷来回流动以对外输出电能。通过电源管理模块来提高可变电容器极板电压以存储更多电荷,在降低输出电压的同时提高输出电流。利用该电荷泵技术,TENG的输出电压的波动可降低63.9 %,且输出电流可提高43.4 %,实现了1328 μC m-2的超高表面电荷密度,可在2.5Hz低频条件下持续驱动468个LED灯、电子表和传感器等小功率电子元器件。该技术对于探索提高TENG输出性能的新型机制与方法具有重要指导与借鉴意义。

相关研究论文以题为“Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current”于2021年5月18日在国际期刊《Advanced Energy Materials》上在线发表。

论文网址链接:http://www.o36.85sbvip.com/10.1002/aenm.202101147.

图1 滑移式电荷泵结构与工作原理图

图2 滑移式电荷泵电学特征与应用

清华大学为论文第一单位,论文第一作者为中国地质大学(北京)博士研究生杨泽(联合培养),清华大学季林红教授为研究团队总负责人,季林红教授、王中林教授、程嘉副研究员为论文共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金(52075286, U1613207)、国家重点研发计划(2018YFF0300606)等项目的资助。

论文信息:

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

期刊简介:

《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)是Wiley出版社旗下材料科学领域知名期刊之一,专注发表纳米技术、化学、物理、生物等应用领域中有关能源研究领域最前沿的科学发现与进展。最新影响因子为IF=25.245,中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。


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