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【Energy & Environmental Science】基于电荷累积策略的可持续高电压输出摩擦纳米发电机
发表日期: 2020-06-19 文章来源:
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  摩擦电纳米发电机(TENGs)作为各种能源采集技术中的佼佼者,能将机械能瞬间转化为电能,具有极高的能量转换效率。同时TENG的材料选择和结构设计也非常灵活,具有重量轻、成本低、通用性强等前所未有的优势。TENG的主要应用可分为四个领域:微纳电源、自供电传感器、大规模蓝色能源和直接高压电源。 

  高电压、低电流的固有特性使得TENG成为传统高压电源的一种新型替代品,具有前所未有的便携性和安全性。然而,TENG的最大转移电荷是一个有限的值,这意味着来自TENG的高输出电压衰减很快,且一旦有有限的电荷转移,高压就无法维持。通常,绝缘性良好的单电极TENG可以获得大于2kV的瞬时输出电压,而摩擦表面较大的独立层式TENG可以产生15kV的瞬时电压,但由于静电电荷的松弛,这些电压值通常只能维持1~2秒。接触分离式TENG通过电荷通道补偿,可以达到7kV稳定高压输出;而盘式TENG通过接入倍压整流电路,可获得8kV高压输出,这已经是目前TENG稳定高压输出的极限。然而,还有许多的应用需要更高的稳定电压输出(>10kV),诸如基于电泳/介电泳技术的油液净化,现有TENG系统不能满足相应输出需求。因此,为了满足各种超高压应用的需要,进一步提高TENG的持续电压输出仍有必要。 

  针对这一问题,中科院北京纳米能源与系统研究所研究团队开发了一种类似电泵浦原理的电荷累积策略来提升可持续输出电压的摩擦纳米发电机(sustainable high-voltage TENG , SH-TENG)。近期,他们在Energy & Environmental Science 上发表了题为 “Sustainable High Voltage Source based on Triboelectric Nanogenerator with Charge Accumulation Strategy”的论文,文章链接为:https://doi.org/10.1039/D0EE01236J 

  与传统盘式TENG的设计有所不同的是,SH-TENG主要采用极化器、转盘、导流桥和两对集电器(如图1),借助转盘与极化器摩擦起电产生的强烈静电场,配合导流桥分离转盘电极上由静电感应得到的正负电荷,并通过转盘和在其上的输电电极的单向旋转,将分离出的正负电荷持续不断注入两对集电器形成电荷累积,从而在两对集电器之间产生可持续的高电压输出(如图2)。集电器与旋转输电电极的不断接触分离可以省去了电泵浦式发电机的二极管系统。该发电机的设计灵感也有一部分来源于传统的莱顿瓶静电起电机,但不同之处在于我们在旋转圆盘的底部设计了两个带有相反极性的聚合物极化器以及相应的励电电极。励电电极与聚合物极化器的不断摩擦可以保证聚合物材料表面的电荷密度始终处于饱和状态。极化器可以调控输出电压的极性(正转为正电压,反转为负电压),也能够加速输出电压的攀升速度。传统的莱顿瓶静电起电机无法严格控制输出电压的极性,电压攀升速度也相对较慢。我们改进后的SH-TENG具有更优异的性能。更重要的是,有了聚合物极化器对电压的保持,我们可以节省掉莱顿瓶蓄电器这样笨重的结构,大大提升了器件的实用价值。 

  通过优化的参数设计,SH-TENG可实现超过20kV的可持续高压输出,并可轻松持续点亮8000盏串联的LED灯阵,展现出现有TENG设备前所未有的高压输出能力。基于SH-TENG优异的可持续高压输出表现,结合电泳/介电泳技术,我们首次提出了一套自供电的油液净化系统(如图1)SH-TENG的超高电压可以极化并收集废油中的悬浮颗粒,此系统可在低转速的运行状态下100秒内净化50ml变压器油液中的悬浮杂质颗粒(碳粉以及LDPE),证明此系统对油液中导电颗粒和介电颗粒的净化具有普遍适用性。这种结构简单、功耗为零的基于TENG的油液净化系统为变压器油和润滑油回收行业提供了不同的途径,符合当前节能环保的主题。此外,这种SH-TENG可以直接驱动两种典型的高压器件,即介电弹性体驱动器(DEAs)和静电纺丝系统,显示出SH-TENG优越的驱动性能。通过将这种SH-TENG直接应用于DEA,证明了一种自驱动的TENG-DEA系统能够提供56%的扩展应变,在智能执行器或微型机器人领域显示出巨大的潜力。这种SH-TENG驱动的自供电静电纺丝系统在PVA纳米纤维的制备中也表现出了优异的性能,与商用静电纺丝机相当。因此,SH-TENG作为一种稳定的超高压电源具有广阔的市场前景。 

1. SH-TENG的结构示意图。其优异的可持续高电压输出性能,可轻松点亮8000盏串联LED灯。在静电纺丝系统以及油液过滤系统的应用中也表现出优异的性能。

2. SH-TENG的工作原理图。aSH-TENG初始状态示意图。b SH-TENG一个完整周期的工作原理,以及在一个完整的周期内五个连续阶段的电流输出状态。

 
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