摩擦纳米发电机(TENG)的演进

胡薇 发表于 2018-06-08 15:59:17 收藏 已收藏
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摩擦纳米发电机(TENG)的演进

胡薇 发表于 2018-06-08 15:59:17

克莱姆森(Clemson)大学纳米材料研究所(CNI)的科学家和学生研究团队最近开发出了一种无线充电技术,可以将机械能转化为电场,为3米范围内的电池或电容器充电。

最近在《先进能源材料》上发表的一篇文章《A Wireless Triboelectric Nanogenerator(一种无线摩擦纳米发电机)》揭示了一种利用摩擦生电效应的器件——摩擦生电是指一种材料在摩擦接触另一种不同材料时变得带电的现象。

当受到持续的机械运动(如手指敲击)激励时,这种无线摩擦纳米发电机(W-TENG)就可以产生高达2,000V的输出电压,峰值功率达到70mW,这足够为现代物联网(IoT)应用中的大多数无线传感器节点供电了。

摩擦纳米发电机(TENG)的演进

摩擦生电并不是什么新鲜事——我们在日常生活中都会经历到某种形式的摩擦生电,比如梳头发会产生静电,在地毯上摩擦鞋子,甚至在头上摩擦气球也会产生静电。这种现象早在18世纪就有文献记载——瑞典物理学家约翰·卡尔·维尔克(Johan Carl Wilcke)在1757年发表了第一篇关于摩擦生电的论文。然而直到最近,业界才开始进行大量研究,在无线传感器网络(WSN)中利用TENG来实现能量采集。

这项技术有可能采集环境中耗用的免费能量——例如人们行走时的振动、手压和机械振动等——并将其转化为可持续的微型电源,为不断激增的数百万计的传感器节点供电。功耗和电池寿命是无线传感器节点大量部署的主要难题。这就是LPWAN技术如此受欢迎的原因——它具有长达10年的电池寿命,而且能够远距离传输数据。但是,若能够在其使用寿命期间始终持续保持电池充电,那就更加理想,因为这样就可以大大降低电池充电和更换的成本。能量采集对于传感和传输设备不能离线的应用场合特别有用,例如在医疗体域网(MBAN)应用中,需要对心脏监护室(CCU)的患者进行无线心脏监测。

无线摩擦纳米发电机(W-TENG)

W-TENG可以对本地储能设备进行无线充电,甚至直接进行简单的电能传输,这将具有更广泛的应用前景。该大学发布的一个视频(详见本刊网站)展示了一名学生研究人员通过敲击W-TENG器件,可以为智能镜子远程供电。

“它不仅可以提供电能,还可以将电场作为启动遥控器使用,”从事这项研究的博士生Sai Sunil Mallineni说道, “例如,你可以敲击W-TENG,将其电场用作打开车库门的‘按钮’,或者可以启动一个安全系统,这些全部无需电池,都是无源和无线的。”

W-TENG基于CNI的超简单摩擦纳米发电机(U-TENG)——它由涂覆有铟锡氧化物的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和Kapton电极构成,这些材料都可以从市场上购买到。W-TENG的底部电极不是由塑料构成,而是由石墨烯和聚乳酸(PLA)的碳复合材料构成——PLA是一种可在玉米淀粉和甘蔗中发现的可生物降解的聚合物。3D印刷电极上覆盖了一层特氟龙,用来产生摩擦生电效应。

“我们使用特氟龙是因为它有很多高度负电的氟基团,而石墨烯PLA具有很高的正电性,” Podila说, “这是一种并列和创造高电压的好方法。” 电荷在连接的铜带上积聚的程度足够大,就能产生强烈的电场。

TENG有一个明显的缺点:对于标称功率,伴随着高输出电压的是低输出电流。通过缩小器件尺寸并将多个器件封装在一起来在输出端降低电压并提高输出电流,这样有可能解决这一问题。当然,电源管理电路对于为电池或电容器充电是必需的。尽管如此,该技术仍将是无线传感器网络(WSN)中各种能量采集技术——例如热电发电机(TEG)、压电材料,以及光伏电池等的强有力补充。

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