摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）被視為一種新技術(shù)，用于收集環(huán)境機(jī)械能，如人體運(yùn)動(dòng)、風(fēng)、雨、水波能等。傳統(tǒng)的TENG已在便攜式電源、藍(lán)色能源和自供電傳感器等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，其具有重量輕、易制造、成本低、將低頻機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的效率高等優(yōu)點(diǎn)。通常TENG具有電容器結(jié)構(gòu)和四種工作模式，即垂直接觸分離模式、滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立模式。TENG有兩種輸出模式，一種是基于摩擦帶電和靜電感應(yīng)耦合的交流（AC）模式，另一種是基于摩擦帶電和空氣擊穿耦合的直流（DC）模式。交流電可以通過整流轉(zhuǎn)換成直流電。
然而，從對(duì)稱性來看，應(yīng)該有一種逆變模式來將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。其中，基于摩擦帶和空氣擊穿耦合的DC-TENG可以實(shí)現(xiàn)單向DC輸出，為TENG提供了一種新的輸出模式。TENG的AC輸出具有高開路電壓（~kV）和低短路電流（~μA）的特點(diǎn)。輸出電壓在很大程度上取決于負(fù)載電阻，負(fù)載電阻可用于直接控制一些具有相當(dāng)高內(nèi)阻的電容性器件。因此，TENG可用于直接驅(qū)動(dòng)介電彈性體、鐵電聚合物等許多電響應(yīng)材料和器件。同時(shí)，將具有不同電響應(yīng)特性的智能材料或不同靜電器件與TENG結(jié)合，可以建立具有多種實(shí)用功能的復(fù)合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的自供電智能系統(tǒng)，而未來的自供電智能系統(tǒng)需要探索更多功能新穎的TENG輸出模式。
近日，重慶大學(xué) 胡陳果教授、劉安平副教授和Wenlin Liu（共同通訊作者）等人 首次報(bào)道了一種通過設(shè)置交替極性分布區(qū)域來實(shí)現(xiàn)基于摩擦帶電和空氣擊穿耦合的交流（AC）模式的逆變TENG（I-TENG）。不同于傳統(tǒng)AC-TENG的固定波形，I-TENG具有獨(dú)特的特性，通過調(diào)節(jié)兩種相反材料的分布寬度和電負(fù)性差，可以控制交流信號(hào)的寬度比和振幅比。此外，作者還研究了電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，并探討了材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。I-TENG在Kapton層和Nylon層的表面電荷密度分別達(dá)到90和130 μcm2 。此外，不同時(shí)間比的AC輸出電流，從恒定的正DC輸出到等時(shí)的正/負(fù)AC輸出，再到恒定的負(fù)DC輸出，證明了其優(yōu)于傳統(tǒng)TENG的常規(guī)交流輸出。分布在兩側(cè)的456個(gè)LED由I-TENG交替點(diǎn)亮，證明了AC輸出特性和可靠的能源供應(yīng)。用于汽車的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)模擬位移和方向控制器進(jìn)一步展示了I-TENG在構(gòu)建靈敏高效的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該工作使TENG擁有完整的輸出模式，并為TENG從AC到DC，從DC到AC，甚至在一個(gè)TENG中混合DC和AC的對(duì)稱輸出機(jī)制的發(fā)展鋪平了道路。這些強(qiáng)大的功能賦予了TENG建立復(fù)合系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)有效的自供電智能系統(tǒng)的更多優(yōu)勢(shì)。
I-TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作機(jī)理 I-TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用兩種不同電負(fù)性材料的交替極性分布區(qū)域，以基于相同原理產(chǎn)生交流輸出。具體而言，I-TENG的滑塊由摩擦電極（FEs）和電荷收集電極（CCE）組成，而定子由極性完全不同的Kapton和Nylon的摩擦材料組成，以及作為這些摩擦材料下方緩沖的泡沫。I-TENG的工作機(jī)理：在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，滑塊開始向右移動(dòng)，只要CCE和摩擦層之間有合適的間隙，且靜電場(chǎng)大于它們之間空氣的介電強(qiáng)度，空氣就被電離，然后正離子和負(fù)離子分別中和Kapton和CCE上的相反電荷，從而在外部電路中產(chǎn)生電流。當(dāng)滑塊移動(dòng)到Nylon摩擦層上時(shí)，基于摩擦帶電效應(yīng)，Nylon表面上存在正電荷，右側(cè)FE上存在等效負(fù)電荷。隨著電荷累積，尼龍和CCE之間的高電位差會(huì)導(dǎo)致空氣擊穿，從而導(dǎo)致與第一步相反方向的DC輸出。類似地，當(dāng)滑塊向后移動(dòng)時(shí)，摩擦帶電和空氣擊穿在外部電路中產(chǎn)生相同方向的電流。左電極進(jìn)入Kapton時(shí)，電流以與第三步相反的方向產(chǎn)生。 圖1. I-TENG的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制 結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料性能的影響 測(cè)試結(jié)果表明，合適的硬質(zhì)泡沫可以有效地增強(qiáng)輸出電荷，并使輸出波形更加對(duì)稱。I-TENG的銅材料的形狀與FE不同，具有相同的實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)（FE和CCE除外）。圖2c中定義了I-TENG的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中X、G、D和F分別表示鐵電極和CCE之間的距離、CCE電極和摩擦材料之間的氣隙、鐵電極直徑和施加的縱向力。隨著施加的縱向力從0增加到50 N，I-TENG的輸出電荷和電流線性增加，Nylon膜上的電荷從171增加到252 nC，Kapton膜上的電荷從102增加到169 nC，表明通過在電極上施加更大的縱向力，接觸更加充分。因此，Nylon和Kapton分別與Cu作為正極和負(fù)極材料配對(duì)，能更好的輸出性能。 圖2. 結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性對(duì)I-TENG輸出性能的影響 圖3a顯示了相同總面積為48 cm2 的各種摩擦層對(duì)的示意圖。圖3b-c分別顯示了一個(gè)周期內(nèi)無縱向力I-TENG的輸出電荷和電流。隨著電介質(zhì)摩擦層對(duì)的增加，脈沖計(jì)數(shù)增加，電流幾乎保持恒定值，但六對(duì)的電流略有減少。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，輸出電荷和電流隨著電極對(duì)從1到3的增加呈現(xiàn)線性增加，同時(shí)滑塊的寬度從10到22 mm。當(dāng)滑動(dòng)距離為12 cm時(shí)，3對(duì)電極的I-TENG在Nylon和Kapton上的輸出電荷分別為130和90 μC m2 ，約為1對(duì)電極的I-TENG的兩倍。 圖3. 不同數(shù)量材料和電極對(duì)的I-TENG的輸出性能 作者制備了具有不同長(zhǎng)度比（M/N）的I-TENG，其中M和N分別表示Nylon和Kapton的長(zhǎng)度。在不同脈寬比M/N下，I-TENG的正/負(fù)電流輸出時(shí)間寬度隨M: N比的變化而變化。此外，不同的脈沖寬度對(duì)輸出振幅沒有影響，因此I-TENG具有優(yōu)異的可調(diào)節(jié)性和適應(yīng)性。為了顯示出色的交流輸出性能，分布在兩側(cè)的456個(gè)LED由I-TENG交替供電，其中等效電路圖和光學(xué)照片顯示在左側(cè)和右側(cè)部分，分別表示手動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)明顯的交流特性和亮度。 圖5. I-TENG交替驅(qū)動(dòng)LED的演示 為了展示I-TENG獨(dú)特功能的應(yīng)用，作者為一輛汽車設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)模擬位移和方向控制器，通過在兩種電負(fù)性相反的材料上移動(dòng)滑塊，驗(yàn)證了該控制器是一個(gè)非常靈敏和高效的控制系統(tǒng)。此外，當(dāng)滑塊移動(dòng)到另一種摩擦材料時(shí)，汽車可以改變運(yùn)動(dòng)方向，顯示出I-TENG與傳統(tǒng)AC-TENG相比的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。I-TENG可能被應(yīng)用于停車場(chǎng)管理的實(shí)時(shí)車輛位置監(jiān)控。 圖6. 基于I-TENG的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)模擬位移和方向控制器 An inverting TENG to realize the AC mode based on the coupling of triboelectrification and air-breakdown. Energy Environ. Sci. , 2021 , DOI: 10.1039/D1EE01641E.
https://doi.org/10.1039/D1EE01641E.
原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2021/08/29/06418cdc4e/
-透明背底.png)
