摩擦電納米發電機
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-16
摩擦電納米發電機的實例教程
導讀
近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。
不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院、臺灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，利用了摩擦電，開發出一種輕量的、剪紙式樣裝置，采集來自人體運動的能量。
（圖片來源：美國化學會）
其中的核心技術就是：摩擦電納米發電機（TENG）。它能夠采集我們四周的機械能為電子設備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發電機，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機充電。
接下來，簡單介紹一下TENG 的發電原理：在TENG 的內部電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。
然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發電機的可行性和實用性。之后，筆者在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國三星綜合技術研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和便攜式電子設備的能耗需求。
（圖片來源：參考資料【2】）
創新
近日，美國克萊姆森大學納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標又更近了一步。
展開 不同風速下以及不同特征尺寸的弧形摩擦納米發電機的電學性能表征
(a) 不同長度L對應的器件在不同風速下的開路電壓圖；
(b) 不同長度L對應的器件在不同風速下的短路電流圖；
(c) 不同長度L對應的最大電壓和電流；
(d) 不同間距H對應的器件在不同風速下的開路電壓圖；
(e) 不同間距H對應的器件在不同風速下的短路電流圖；
(f) 不同間距H對應的最大電壓和電流；
(g) 最優的開路電壓和短路電流圖；
(h) 不同外部負載電阻下的輸出電壓和電流；
(I) 不同的外部負載電阻下的輸出功率。
圖4. 風力作用下弧形摩擦納米發電機的供能裝置及其應用
(a) 利用弧形摩擦納米發電機為無線傳感器供電的電路圖；
(b) 利用弧形摩擦電納米發電機驅動248盞LED燈；
(c) 無線水質監測系統的照片，該系統由一個無線pH傳感器節點、一個接收器、兩種不同pH值的溶液和兩個弧形摩擦納米發電機組成；
(d) 當pH值小于5時，水質監測系統發出警報。
圖5. 河流流體能驅動下的環境水質及滑坡監測應用示意
(a) 由弧形摩擦納米發電機陣列供電的無線滑坡預警系統示意圖；
(b) 弧形摩擦電納米發電機在河流中驅動480盞LED燈；
(c) 河流中由弧形摩擦電納米發電機陣列供電的無線水質監測；
(d) 由弧形摩擦電納米發電機陣列供電的滑坡預警監測。
展開 作為一種革命性的能量收集技術，摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續、分布式能源供給技術，而且構建了無需外部電源的自供電系統，具有成本低、質量輕、材料選擇廣、低頻下轉換效率高等優勢。然而，高濕環境中水分子形成的導電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環境下輸出性能。但環境濕度對TENG表面電荷的影響機制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環境下的輸出性能，并進一步研究高濕環境下表面電荷的衰減機理。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士領導的科研團隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。
展開 基于桁架結構的摩擦電-壓電混合納米發電機
(a)基于桁架結構的PE-TE混合發電機的動力學分析。(b) PNG和TENG使用輸入頻率為11?Hz的桁架結構的輸出性能。(c)菱形網格結構TENG的示意圖，以及(d)其輸出功率隨單元數量變化的示意圖。
3.4. 基于螺旋彈簧的TENG系統
圖10. MFR-TENG系統
(a) MFR-TENG系統示意圖。(b) MFR-TENG系統的輸入能量存儲部分。(c) MFR-TENG系統的能量釋放部分。(d) MFR-TENG在10、20、30、40和50?Hz頻率下的調節輸出電壓。(e)比較不同TENG頻率下的輸出TENG電流和變壓器電流輸出。
4. TENGs振動能量轉換系統
在這一部分，作者回顧了文獻中發現的各種TENG振動系統設計。如前所述，大多數振動系統設計基于螺旋彈簧、懸臂梁彈簧或固定梁彈簧。盡管文獻中已經報道了其他新穎的振動TENG設計，例如基于球的結構、夾層彈性波浪結構和彈性多單元TENG結構，但是本文僅關注三種主要振動結構以及設計參數對TENG頻率響應輸出的影響。
4.1. 基于螺旋線圈彈簧的TENG系統
圖11. 基于螺旋彈簧的TENG振動能量轉換系統
實驗確定振動TENG (a)帶寬和(b)阻尼的方法。具有(c)面外運動和(d)面內運動的多方向TENG的電壓和電流輸出頻率響應。(e)串聯TENG系統設計，具有垂直堆疊布置。戰略設計的串聯TENG的電壓輸出頻率響應。
4.2. 懸臂梁彈簧式TENG系統
圖12.
展開 摩擦電納米發電機(TENG)于2012年首次開發，已成為全球研究界理想的能源來源。TENGs的流行歸因于其重量輕、成本低、產量高、材料和器件設計廣泛。TENG已被研究用于許多應用，包括傳感、植入式電源、醫療保健和生物醫學應用。由于電荷密度(σ)是一種材料特性，因此TENGs的性能在很大程度上取決于材料。此外，還研究了2D材料作為傳統金屬電極的替代材料。聚合物和金屬在傳統摩擦電系列中的主導地位促使研究人員探索新材料，以擴大應用范圍，提高TENGs產量。
來自濟州大學的研究人員綜述了TENGs摩擦層和電極材料的研究進展。詳細討論了輸出增強的機理和器件的應用。最后，對TENGs材料發展的未來和相關挑戰進行了展望。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101170
本文從器件應用的角度系統地闡述了騰騰材料的研究進展。為了更清楚、更好地理解TENGs產量的提高機理，本文對其增產機理進行了逐一總結，并提供了相關資料。介紹了TENGs的基本知識、工作原理、器件模式和FOM。材料領域的巨大進步讓TENGs離商業化又近了一步。隨著新材料、電源管理電路和穩定器件的發展，可以取代或擴展電池等傳統電源。（文：SSC）
圖 1. TENG 的四種工作模式。
圖2.TENG中用作摩擦和電極材料的材料示意圖，包括2D材料、MOF、COF、天然材料和鐵電材料。
圖 3. 基于 2D 材料的 TENG 中主要里程碑的時間表。
圖4.A)G-TNG器件制作示意圖。B)石墨烯的輥對輥轉移過程和具有相應電壓輸出的TENG的三維設計。
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摩擦電納米發電機的最新內容
Interfaces2020, 12, 57477?57485).基于在制備自修復功能材料與離子凝膠方面的寶貴經驗，近期該課題組設計并報道了一種高拉伸強度和優異抗壓縮性能自修復離子凝膠，并用于制備具有優異環境穩定性能的摩擦電納米發電機。
在這項工作中，該課題組致力于設計一種基于摩擦電納米發電機和治療性納米顆粒響應性釋放模型的便攜式自供電納米復合傷口“修理器”。將逐層涂覆2-羥丙基三甲基氯化銨-殼聚糖（HTCC）、海藻酸鈉（ALG）和聚多巴胺/Fe3+納米顆粒（PFNs）組裝的膜與通過生物力學運動驅動的自供電納米發電機（SN）組合到納米復合修復器（HAP/SN-NR）中（圖1a，b）。
當液體與固體相接觸時，在二者的界面處會形成雙電層，這是電化學、微流體學和膠體化學等許多研究領域的基礎。近期的一些研究表明，在不同的環境刺激下，液固界面雙電層的動態變化可以對外輸出電功，例如濕度變化、水蒸發發電等。此外，機械運動也可以引起固-液界面的動態變化，從而實現機械能-電能的轉換。前期的一些工作報道了基于水滴與介電聚合物間動態界面的發電器件
基于摩擦起電和靜電感應原理的摩擦電納米發電機(TENGs)由于簡單的結構和優異的輸出性能，在能量采集和自供能傳感中得到了廣泛的應用。目前多數TENG存在著諸如制備工藝復雜，成本高，耐久性差，難以實現規模化生產等問題。
可穿戴電子設備的快速發展在改善人們生活水平的同時，也產生了電磁輻射。電磁污染不僅會影響設備的正常運行，甚至會威脅到人類的健康。碳納米管巴基紙（Buckypaper, BP）由于優異的導電性被廣泛于電磁屏蔽領域。之前該課題組探討了碳納米管在不同溶劑中的分散性及真空過濾成膜性，并詳細研究了BP的結構及其性能
作為一種革命性的能量收集技術，摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續、分布式能源供給技術，而且構建了無需外部電源的自供電系統，具有成本低、質量輕、材料選擇廣、低頻下轉換效率高等優勢。
摩擦電納米發電機(TENG)于2012年首次開發，已成為全球研究界理想的能源來源。TENGs的流行歸因于其重量輕、成本低、產量高、材料和器件設計廣泛。TENG已被研究用于許多應用，包括傳感、植入式電源、醫療保健和生物醫學應用。由于電荷密度(σ)是一種材料特性，因此TENGs的性能在很大程度上取決于材料。此外，還研究了2D材料作為傳統金屬電極的替代材料。
介紹
隨著觸摸屏的普及和基于電粘附的表面觸覺設備的商業化，捕捉手指
-設備界面內的多物理現象及其交互的建模工具對于設計以較低成本實現更高性能和可靠性的設備至關重要。雖然電粘附已成功證明通過摩擦調制改變觸覺感知的能力，但手指-設備界面中的電粘附機制仍不清楚，部分原因是復雜的界面物理，包括接觸變形、毛細管形成、電場及其復雜的耦合尚未全面解決的影響。
接觸起電率的不斷提高，推動了摩擦電納米發電機的發展。
基于此，研究者提出了一種新的實驗技術，使得能夠以前所未有的分辨率分析接觸帶電的電荷轉移過程。它可以揭示從金屬表面彈回的金屬粒子的電勢，是如何隨時間演化的。然而，與普遍接受的金屬-金屬接觸概念相反，研究者發現電荷隨著碰撞速度的增加而增加。
近日，東華大學俞建勇院士、覃小紅教授團隊在靜電紡納米纖維濕氣發電機領域取得重要進展，相關成果分別以“具有持久1.1伏電壓輸出的納米纖維織物基離子梯度增強的濕氣發電機”（Nanofiber fabric based ion-gradient-enhanced moist-electric generator with a
