王中林院士团队：基于弹簧辅助多层结构的球形摩擦纳米发电机高效水波能量收集

本文亮点：结合弹簧结构和多层结构的优点，制作了摩擦纳米发电机（TENG）阵列，该阵列由四个球形TENG和弹簧辅助多层结构组成，用于收集水波能量。在水波的驱动下，这个TENG阵列产生15.97 mW的高输出功率，展示了高效水波能量收集的能力。

能源在人类生活中扮演着非常重要的角色，现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源，这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭，迫切需要寻找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有储量丰富、受环境因素影响较小等优点，是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是，近几十年世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机，而电磁发电机因其自身的工作原理所限，难以有效收集这种低频的、随机的能源。

王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机，它利用麦克斯韦位移电流的机理，将周围环境中的机械能转化为电能。同时球形结构摩擦纳米发电机因其具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点已经被用来收集水波能。但是在之前报道的工作中，还存在输出电流较小等缺点，限制了它的实际应用。

近日，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士课题组（通讯作者）在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials上发表 “Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structurefor Efficient Water Wave Energy Harvesting”的论文。研究团队首先结合弹簧辅助结构和球形结构的优点，并在一个球壳空间内集成多个基本发电单元形成多层结构，成功制备出耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机，用于收集水波能。该球形摩擦纳米发电机中每个发电单元的工作模式均为垂直接触-分离模式。在真实水波实验环境中，1.0 Hz的水波频率，2.5 V的信号发生器输出电压幅值（对应于水波振幅）的水波冲击下，其最大功率可达7.96 mW，输出电流为120 µA。其次，进一步研究了不同水波频率和不同水波振幅下，该摩擦纳米发电机的电学输出性能，发现其在1.0 Hz的水波频率下能达到最大输出值，能较好地适用于水波的低频工作环境。然后，从球形摩擦发电机中所用的铜块质量以及集成的发电单元数量两个方面对其进行结构优化。最后，将四个优化后的球形摩擦纳米发电机组成发电阵列，其输出功率和输出电流分别达到15.97 mW和225 µA，并成功驱动电子温度计工作，测量水的实时温度，显示了该摩擦纳米发电机在水波能大规模收集中的巨大潜力。

【图文速递】

图1 a）具有漂浮在水面上的弹簧辅助多层结构的球形TENG的示意图，以及具有五个基本单元的锯齿形多层TENG的示意性表示放大结构。 b）制造的TENG装置的照片。 c）球形TENG的每个TENG单元的工作原理。

图2 a）典型的输出电流，b）转移的电荷，和c）在水波下具有五个单位的球形TENG的输出电压。 d）球形TENG装置在水波下具有五个单元的平均电流峰值和平均功率峰值电阻关系。水波频率，铜块质量和函数发生器的输出幅度分别为1.0Hz，100g和2.5V。

图3 a）输出电流，b）转移电荷，c）输出电压，和d）在不同水波频率下具有五个单位的球形TENG的输出功率电阻曲线。铜块质量和函数发生器的输出幅度分别固定在100 g和2.5 V.

图4 a）输出电流，b）转移电荷，c）输出电压，d）基于弹簧辅助多层结构的球形TENG输出功率- 电阻关系，以及5个函数发生器输出幅度不同的单位。水波频率和铜块质量分别固定为1.0 Hz和100 g。

图5 铜块质量对a）输出电流，b）转移电荷的影响，以及c）5个单位的球形TENG输出功率电阻分布。 d）输出电流，e）传输电荷，以及f）在铜块质量为100 g时，多层结构中各种基本单元数量的输出功率 - 电阻曲线。函数发生器的水波频率和输出幅度分别固定为1.0 Hz和2.5 V.

图6 a）在水波运动下由TENG阵列照亮的数十个具有“TENG”图案的LED的照片。b）整流输出电流和c）TENG阵列在各种水波频率下的输出功率阻抗曲线。 d）通过对470μF的电容充电，在水波运动下由TENG阵列驱动的电子温度计的照片。 e）TENG阵列在水波下对470μF电容器的充放电过程。 f）由TENG阵列充电的各种电容器的电压。

研究人员设计并制造了一种基于弹簧辅助多层结构的球形TENG，用于收集水波能量。在水波触发下，TENG依靠Al电极和FEP薄膜之间的接触和分离工作。研究了由函数发生器控制的水波频率和幅度对单球TENG器件输出性能的影响。并且通过调整多层结构中铜块的质量和基本单元数量可以进一步优化性能。该研究成功制备了一种用于有效收集水波能的球形摩擦纳米发电机，通过结构设计与优化，其输出电流和输出功率较以往工作均有较大幅度提高，显示了纳米发电机在大规模收集水波能中的潜在应用价值。

 

来源：高分子科学前沿