摩擦納米發(fā)電機的案例
Nano Energy：變廢為寶的摩擦納米發(fā)電機所驅(qū)動的無線傳感網(wǎng)絡(luò)及環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用
不同風(fēng)速下以及不同特征尺寸的弧形摩擦納米發(fā)電機的電學(xué)性能表征
(a) 不同長度L對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的開路電壓圖；
(b) 不同長度L對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的短路電流圖；
(c) 不同長度L對應(yīng)的最大電壓和電流；
(d) 不同間距H對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的開路電壓圖；
(e) 不同間距H對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的短路電流圖；
(f) 不同間距H對應(yīng)的最大電壓和電流；
(g) 最優(yōu)的開路電壓和短路電流圖；
(h) 不同外部負(fù)載電阻下的輸出電壓和電流；
(I) 不同的外部負(fù)載電阻下的輸出功率。
圖4. 風(fēng)力作用下弧形摩擦納米發(fā)電機的供能裝置及其應(yīng)用
(a) 利用弧形摩擦納米發(fā)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(fā)電機驅(qū)動248盞LED燈；
(c) 無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的照片，該系統(tǒng)由一個無線pH傳感器節(jié)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(fā)電機組成；
(d) 當(dāng)pH值小于5時，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報。
圖5. 河流流體能驅(qū)動下的環(huán)境水質(zhì)及滑坡監(jiān)測應(yīng)用示意
(a) 由弧形摩擦納米發(fā)電機陣列供電的無線滑坡預(yù)警系統(tǒng)示意圖；
(b) 弧形摩擦電納米發(fā)電機在河流中驅(qū)動480盞LED燈；
(c) 河流中由弧形摩擦電納米發(fā)電機陣列供電的無線水質(zhì)監(jiān)測；
(d) 由弧形摩擦電納米發(fā)電機陣列供電的滑坡預(yù)警監(jiān)測。
展開 AEM：滑移式電荷泵穩(wěn)壓增流技術(shù)提升摩擦納米發(fā)電機性能
：基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動虛擬電觸覺系統(tǒng)
納米能源所王中林院士團隊《ACS Nano》：摩擦納米發(fā)電機作為探針來揭示水滴-聚合物接觸起電的電子轉(zhuǎn)移機理
北京大學(xué)付恩剛教授課題組與中科院納米所陳翔宇研究員和王中林研究員課題組合作：在摩擦納米發(fā)電機材料領(lǐng)域取得重要進展
北石化楊丹副教授聯(lián)合中科院納米能源所陳翔宇研究員《Nano Energy》：利用摩擦納米發(fā)電機驅(qū)動離子聚合物金屬復(fù)合材料取得進展
中科院納米能源所王中林院士和陳翔宇研究員綜述：通過摩擦納米發(fā)電機的高電壓直接驅(qū)動的電響應(yīng)材料和器件
寧波材料所陳濤研究員團隊與納米能源所王中林院士、潘曹峰研究員團隊合作《AM》：開發(fā)出自修復(fù)、可粘附高分子水凝膠柔性觸摸屏
中科院納米能源所王中林院士和楊亞研究員《Sci. Adv.》：柔性多功能觸覺傳感器
王中林院士團隊《Adv. Mater.》
展開 王中林院士團隊：基于彈簧輔助多層結(jié)構(gòu)的球形摩擦納米發(fā)電機高效水波能量收集
該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發(fā)電機，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發(fā)電機在大規(guī)模收集水波能中的潛在應(yīng)用價值。
來源：高分子科學(xué)前沿
湖南工業(yè)大學(xué)在商用織物摩擦納米發(fā)電方面取得進展
隨著便攜式和可穿戴電子設(shè)備需求的迅速增長，織物基摩擦納米發(fā)（TENG）電機因其舒適性和易與服裝集成的特點，受到廣泛關(guān)注。然而普通織物基摩擦納米發(fā)電機，因輸出性能較低，限制了其在實際中的應(yīng)用。如何有效提升普通織物的摩擦發(fā)電輸出性能是其實用化的重大挑戰(zhàn)。
鑒于此，湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授課題組提出了一種普適簡易的改性方法，通過碳納米管（CNT）和聚乙烯亞胺（PEI）的接枝實現(xiàn)了商用天鵝絨織物摩擦電性能的顯著提升。通過在織物表面引入碳納米管和酰胺鍵，一方面構(gòu)筑了微納層級結(jié)構(gòu)，另一方面提升了織物的正電性，使織物具備更高的電荷密度和摩擦納米發(fā)電性能。
圖1 天鵝絨織物改性原理及微觀形貌
本研究開發(fā)的織物基摩擦納米發(fā)電機具有良好的柔性、耐洗性、長期運行穩(wěn)定性。并可獲得119 V的最高輸出電壓和12.6 μA的電流，在外接5×106 Ω負(fù)載時，實現(xiàn)了3.2 W/m2的最大功率密度，可作為小型電子設(shè)備的電源。
圖2 織物基摩擦納米發(fā)電機水洗測試（a,b,c）及摩擦發(fā)電性能（d-i）
研制的織物基摩擦納米發(fā)電機具備優(yōu)異的壓力傳感性能，并能夠簡易地與織物集成實現(xiàn)觸覺傳感。研究還制備了適于冬天使用的手套界面，展現(xiàn)了織物基摩擦納米發(fā)電機在人機界面應(yīng)用中的巨大潛力。
圖3 織物基摩擦納米發(fā)電機傳感性能
本研究為提升織物基摩擦納米發(fā)電機輸出性能提供了新的思路，并為織物基摩擦摩擦納米發(fā)電機和自供電傳感器的設(shè)計開辟了一條新的途徑。
展開 
河南大學(xué)程綱Advanced Functional Materials: 摩擦納米發(fā)電機的無源高效電
摩擦納米發(fā)電機 (TENG) 作為一種全新的能源獲取方式，通過摩擦起電與靜電感應(yīng)的耦合，可以將環(huán)境與人體運動產(chǎn)生的機械能直接轉(zhuǎn)化為電能。相比于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電機，其在低頻機械能的收集中具有優(yōu)勢，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)點。目前，TENG不僅可以收集風(fēng)能、振動、水滴、水流、波動的能量，也可以發(fā)展光、氣體、聲音、脈搏、溫度等自驅(qū)動傳感系統(tǒng)。TENG的輸出具有電壓高、電流低的特性，需要使用電源管理電路（PMC）將其電能高效存儲起來，以滿足小型電子器件的供電要求。但是，TENG的輸出阻抗大，與PMC的阻抗不匹配，是發(fā)展高效PMC所面臨的重要問題。
【成果簡介】
近日，河南大學(xué)特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。報道了一種單向開關(guān)式摩擦納米發(fā)電機 (TENG-UDS)，并將其應(yīng)用到電源管理電路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的負(fù)載范圍內(nèi)保持輸出能量的最大化，不受負(fù)載電阻的影響。而且由于開關(guān)中雙觸頭的設(shè)計，無需整流實現(xiàn)了單向的電學(xué)信號輸出。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了由電感、二極管和儲能電容等簡單原件組成的無源PMC。理論計算結(jié)果表明，該無源PMC的總能量存儲效率可以達(dá)到75.8%。在對10 μF電容的實際充電測試中，總能量存儲效率可以達(dá)到48.0%。演示結(jié)果表明，利用此PMC所存儲的電能可以驅(qū)動商用電子表和高亮度的QLED器件。
展開 鄭州大學(xué)橡塑模具團隊《Nano Energy》：在超臨界二氧化碳發(fā)泡（scCO2）技術(shù)制備高性能摩擦納米發(fā)電機方面取得進展
本研究開發(fā)的基于無皮層TPU發(fā)泡薄膜的摩擦納米發(fā)電機具有良好的柔性、耐磨性、優(yōu)異的輸出性能、極強的性能穩(wěn)定性等優(yōu)點，輸出性能隨著表面泡孔尺寸的減小逐漸增大。研究還驗證了接觸分離式摩擦納米發(fā)電機中多孔結(jié)構(gòu)與表面互補結(jié)構(gòu)在增強發(fā)電性能中的重要作用。制備的基于TPU多孔膜和PDMS膜的納米發(fā)電機可獲得260 V的最高輸出電壓和46 μA的輸出電流。在外接3.3×106 Ω負(fù)載時，實現(xiàn)了4.6 W/m2的最大功率密度，可作為許多小型電子設(shè)備的電源。
圖1.超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發(fā)泡的原理圖（a）和在不同的發(fā)泡工藝條件下的發(fā)泡材料基摩擦納米發(fā)電機輸出性能（b,c）及功率密度圖（d）。
此外，制備的柔性摩擦納米發(fā)電機具備優(yōu)異的摩擦電性能和自供電傳感性能。能夠為電容器充電，自發(fā)點亮LEDs，驅(qū)動計算器等小型電子器件；還能夠檢測諸如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，以及監(jiān)測人行走步態(tài)的變化等。
圖2.發(fā)泡材料基摩擦納米發(fā)電機摩擦電性能和自供電傳感性能。
該研究通過超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發(fā)泡法制備了可用做摩擦發(fā)電機正電極的性能優(yōu)異的TPU多孔薄膜，為批量化制備高性能TENG提供了一種綠色、高效的新方法，并為設(shè)計具有互補結(jié)構(gòu)的摩擦材料，提供了新見解。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（12072325）和國家重點研究計劃（2019YFA0706802）的資助。
展開 一種基于液-固界面摩擦納米發(fā)電機的高靈敏度波浪傳感器及其在智能海工裝備的應(yīng)用
最近，基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(TENG) 用于能量收集和自驅(qū)動傳感器已經(jīng)成為一種強大的技術(shù)。作為最重要的TENG類型之一，基于液-固界面的TENG可用于收集水波能量和其他應(yīng)用，例如自供電pH計、濃度或壓力傳感器。研究人員提出并探索了一系列用于收集水波能量和傳感的液固界面摩擦納米發(fā)電機(LS-TENG)，可收集由液-固界面產(chǎn)生的靜電能。此外，還研究了類似浮標(biāo)的LS-TENG和水槽式LS-TENG，以有效地收集水波能量。U形LS-TENG作為自供電多功能傳感器，其中復(fù)雜的機械運動可以轉(zhuǎn)化成壓力和電信號。因此，液-固界面摩擦納米發(fā)電機具有很大的潛力，可用作智能海工裝備的高靈敏度波浪傳感器。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學(xué)院王中林院士(通訊作者)等提出并系統(tǒng)地探究了一種基于液固界面摩擦納米發(fā)電機的高靈敏度波浪傳感器，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment”的研究論文。上述波浪傳感器由銅電極、覆蓋具有微結(jié)構(gòu)表面的聚四氟乙烯膜制成。作者系統(tǒng)地研究了傳感器基底、波高、頻率和鹽度對波浪傳感器輸出性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸出電壓隨波浪高度呈線性增加。電極寬度為10 mm的波浪傳感器，靈敏度為23.5 mV/mm，意味著波浪傳感器可以感知毫米范圍內(nèi)的波高。此外，通過加寬電極和/或增強表面疏水性可以進一步提高靈敏度。在波浪水槽中，波浪傳感器成功地用于實時監(jiān)測模擬海上平臺周圍的波浪信息。
展開 可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發(fā)電機作為電子皮膚用于生物力學(xué)能量采集和多功能壓力傳感
摩擦納米發(fā)電機是一種能夠?qū)崿F(xiàn)能量富集和自供電的傳感技術(shù)，將其與電子皮膚相結(jié)合有望為下一代可穿戴電子產(chǎn)品、個性化醫(yī)療以及人機界面等領(lǐng)域帶來新的機會。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授課題組開發(fā)了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發(fā)電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現(xiàn)了生物力學(xué)能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續(xù)的“鏈?zhǔn)健睎艡跔罱诲e的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優(yōu)異的機械穩(wěn)定性。研究表明，該摩擦納米發(fā)電機能夠點亮高達(dá)170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監(jiān)測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。該成果以題為"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"發(fā)表在Advanced Materials上。
展開 海洋能摩擦納米發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的能量管理
目前，大多數(shù)的波浪能發(fā)電裝置都是基于電磁感應(yīng)發(fā)電機，具有笨重、體積龐大、昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低下的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經(jīng)濟的、一體化的水波能量收集方法。
摩擦納米發(fā)電機（TENG）提供了一種將機械能轉(zhuǎn)化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發(fā)電機在物理機制上的根本差異，摩擦納米發(fā)電機有望成為收集低頻機械能特別是“藍(lán)色能源”的“殺手”應(yīng)用。2014年王中林院士提出“藍(lán)色能源”的思想，將成千上萬的發(fā)電單元連接成TENG網(wǎng)絡(luò)用來收集大范圍的波浪能。之后，內(nèi)嵌金屬球的格子狀結(jié)構(gòu)和球殼結(jié)構(gòu)單元組成的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)被研制出來，以及通過彈簧和多層結(jié)構(gòu)的引入，球形發(fā)電單元的性能得到了很大的改進。但是，由于大的阻抗和不平衡的負(fù)載匹配，發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)很難直接驅(qū)動電子設(shè)備或者給儲存設(shè)備充電。所以，為了打破這一瓶頸，有效的能量管理是非常有必要的，這有利于實現(xiàn)更有效的水波能利用。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士和張弛研究員（共同通訊作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)的能量管理技術(shù)與方法，并在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的論文，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國旭是論文的共同第一作者。在這項工作中，作者基于耦合彈簧及多層結(jié)構(gòu)的球形發(fā)電單元，構(gòu)建了海洋能收集的納米發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)，并與能量管理模塊有效集成。
展開 河南大學(xué)Nano Energy: 基于摩擦納米發(fā)電機氣體放電的自驅(qū)動CO2氣敏傳感器
近年來，摩擦納米發(fā)電機(TENG)作為一項新能源技術(shù)，能夠從環(huán)境和人體中收集機械能并將之轉(zhuǎn)化為電能，同時可應(yīng)用于各種自驅(qū)動的傳感器。TENG具有高電壓、低電流和高阻抗的特性，其高電壓容易引起氣體放電，限制了表面摩擦電荷密度的提高。合理的利用TENG高壓引起的氣體放電可以拓展TENG的應(yīng)用范圍。由于常溫常壓下，每種氣體都有其獨特的放電特性，因此，可以開發(fā)出在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源的新型自驅(qū)動氣敏傳感器。
【成果簡介】
近日，河南大學(xué)特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Nano Energy上發(fā)表了題為“The self-powered CO2 gas sensor based on gas discharge induced by triboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦納米發(fā)電機引起的氣體放電對CO2的高敏感性，發(fā)展了一種新型自驅(qū)動CO2氣敏傳感器。當(dāng)CO2加入到N2中時，放電過程中產(chǎn)生的 CO2- 會阻礙等離子體的形成，這會增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性。基于這些現(xiàn)象，提出了不同類型的CO2氣體傳感模式。第一種模式是閾值濃度檢測模式，當(dāng)CO2濃度達(dá)到閾值時，通過使用放電停止現(xiàn)象實現(xiàn)CO2的高靈敏度檢測。基于放電頻率和放電電流對CO2濃度的依賴性，提出了臺階檢測模式和連續(xù)檢測模式，可用于檢測CO2濃度低于閾值濃度的氣體濃度。以此為基礎(chǔ)，本篇工作開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機引起的氣體放電的自驅(qū)動CO2氣敏傳感器。通過三種檢測模式實現(xiàn)了對CO2室溫下、高靈敏且不需要外部電源的檢測。河南大學(xué)碩士研究生趙珂和青年教師顧廣欽博士是本文的共同第一作者，河南大學(xué)程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。
展開 王中林院士Nano Energy：電荷泵浦實現(xiàn)超高電荷密度摩擦納米發(fā)電機
【本文亮點】
（1）提出了一種浮置層結(jié)構(gòu)，可以積累并束縛超高密度電荷，用于靜電感應(yīng)
（2）設(shè)計了一種電荷泵，可以持續(xù)地向浮置層中泵送電荷
（3）在普通環(huán)境條件下，基于浮置層結(jié)構(gòu)和電荷泵的電荷自泵浦TENG集成器件實現(xiàn)了1020μC/m2的超高有效表面電荷密度
（4）這項工作提出了一個簡單而普遍的策略，可以大幅提高TENG的電荷密度以及輸出
【引言】
摩擦納米發(fā)電機（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起電及靜電感應(yīng)效應(yīng)。表面電荷密度對于摩擦納米發(fā)電機的性能至關(guān)重要。一般而言，TENG的輸出功率與表面電荷密度呈二次方關(guān)系。在一定的接觸或摩擦強度下，電荷密度主要受限于兩個方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦材料配對的摩擦起電能力，二是由氣隙擊穿引起的電荷損失。現(xiàn)有已提出了基于材料選擇、表面改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化或環(huán)境控制等多種方法以提高電荷密度，但是這些方法仍存在著很多方面的限制，在電荷穩(wěn)定性上還存在問題，或在封裝等方面提出了較高的要求。
【成果簡介】
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、佐治亞理工學(xué)院校董教授王中林院士和張弛研究員（共同通迅作者）的帶領(lǐng)下，許亮博士和布天昭等人組成的研究團隊為提高TENG器件的電荷密度，設(shè)計了一種具有浮置層結(jié)構(gòu)和電荷泵浦能力的電荷自泵浦摩擦納米發(fā)電機（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所設(shè)計的浮置層結(jié)構(gòu)可以積累并束縛超高密度電荷，并產(chǎn)生靜電感應(yīng)效應(yīng)，電荷泵浦可以持續(xù)地向浮置層中泵送電荷，基于兩者的SCP-TENG器件在普通環(huán)境條件下，實現(xiàn)了1020μC/m2的超高有效表面電荷密度，達(dá)到了空氣擊穿電荷密度閾值的4倍左右，創(chuàng)造了新的電荷密度記錄。
展開 
新型摩擦電納米發(fā)電機：可利用人體運動實現(xiàn)無線供電！
導(dǎo)讀
近日，美國克萊姆森大學(xué)的科研人員開發(fā)出摩擦電納米發(fā)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(biāo)又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的一種物理現(xiàn)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(xué)院、重慶大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院、臺灣科技大學(xué)等科研機構(gòu)的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統(tǒng)的剪紙藝術(shù)啟發(fā)下，利用了摩擦電，開發(fā)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(xué)會）
其中的核心技術(shù)就是：摩擦電納米發(fā)電機（TENG）。它能夠采集我們四周的機械能為電子設(shè)備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發(fā)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(fā)電原理：在TENG 的內(nèi)部電路中，由于摩擦起電效應(yīng)，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)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(qū)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(fā)電機的可行性和實用性。之后，筆者在《可穿戴設(shè)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(shù)研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發(fā)電機能夠滿足小型可穿戴設(shè)備和便攜式電子設(shè)備的能耗需求。
（圖片來源：參考資料【2】）
創(chuàng)新
近日，美國克萊姆森大學(xué)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(biāo)又更近了一步。
展開 中科院北京納米能源所王中林院士Nano Energy：由3D打印制成的三維超柔性摩擦納米發(fā)電機
由于固有轉(zhuǎn)換機理，傳統(tǒng)的電磁發(fā)電和硅基太陽能發(fā)電等很難實現(xiàn)高柔性。與此相比，基于柔性高分子材料的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG），通過耦合摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)實現(xiàn)了機械能量收集并轉(zhuǎn)化為電能，已有報道指出，在較強外力作用下和形變過程中仍然能夠保持安全性、高效性和穩(wěn)定性，這一點非常重要。基于以上描述，TENG作為自驅(qū)動超柔性電源顯示出巨大的研究潛力；同時其還具備結(jié)構(gòu)簡單、材料選擇廣泛、成本低的實用價值。
【成果簡介】
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士（通訊作者）的帶領(lǐng)下，課題組陳寶東博士后、唐偉副研究員和蔣濤副研究（共同一作）等人首次研究了一種實用的超柔性三維摩擦納米發(fā)電機（3D-TENG），它可以從低頻的生物運動中獲取能量并轉(zhuǎn)化為電能，來驅(qū)動電子器件或為其充電；更加重要的是，該發(fā)電設(shè)備是通過獨特的增材制造技術(shù)——混合3D打印實現(xiàn)的。不同于之前基于電介質(zhì)薄膜作為摩擦電材料的TENG，這種超柔性3D-TENG使用打印的三維復(fù)合樹脂結(jié)構(gòu)（具有1μm的高印刷精度）和離子水凝膠作為摩擦帶電層和電極，實現(xiàn)了TENG的超柔性三維發(fā)電結(jié)構(gòu)和高密度集成。它可以應(yīng)用于生物力學(xué)的能量收集（如通常小于3赫茲的人體運動），在約1.3Hz的低頻下，瞬時峰值功率密度達(dá)到了10.98W/m3，轉(zhuǎn)移電荷密度為0.65mC/ m3。此外，通過自組的自驅(qū)動可穿戴設(shè)備成功地展示了其實用性、創(chuàng)造性和新穎性，即野外自驅(qū)動LED閃爍和蜂鳴器SOS求救信號系統(tǒng)、自驅(qū)動智能LED照明鞋以及充電功能。相關(guān)成果以題為“Three-dimensional ultraflexible triboelectric nanogenerator made by 3D printing”發(fā)表在了Nano Energy上。
展開 王中林院士團隊Nano Energy : 柔性摩擦納米發(fā)電機與柔性電池集成構(gòu)筑可穿戴的自充電電源組
最近，摩擦納米發(fā)電機(TENGs)因其收集機械能并將其轉(zhuǎn)化為電能而備受關(guān)注。TENG可以從日常人體運動中獲取能量，為LIB等儲能設(shè)備提供能量。研究人員已經(jīng)將TENG與各種儲能裝置集成以形成自供電系統(tǒng)。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、孫春文研究員、西班牙馬德里材料研究所José Antonio Alonso教授(共同通訊作者)等將柔性摩擦納米發(fā)電機(TENG)與柔性電池集成構(gòu)筑可穿戴的自充電電源組，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“Structural and Electrochemical Properties of LiMn0.6Fe0.4PO4 as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究論文。作者首先通過中子粉末衍射(NPD)技術(shù)研究了Fe摻雜對LiMnPO4(LMP)結(jié)構(gòu)的影響。所制備的LiMn0.6Fe0.4PO4/碳(LMFP/C)材料在1C的電流密度下顯示出90 mAh·g-1的較高比容，是LiMnPO4/C的約5倍，其具有1000次循環(huán)以上的出色循環(huán)性能。電化學(xué)性能的改善應(yīng)歸因于(Mn,Fe)O6的較高八面體畸變以及LMFP中鋰的各向異性橢球較少而易于Li擴散。之后，作者進一步組裝了具有LMFP/C正極和原位聚合電解質(zhì)的柔性LIB，其表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和可循環(huán)性。彎曲300次后，電池沒有明顯的性能下降。最后，作者將柔性摩擦電納米發(fā)電機(TENG)與柔性電池集成，形成可穿戴的自充電電源組。TENG可以收獲機械能并將其轉(zhuǎn)換成電能，為電池充電進而為柔性電致變色膜提供能量。
展開 吉林大學(xué)李洋課題組《Nano Energy》：高強度自修復(fù)離子凝膠用于制備高機械性和環(huán)境穩(wěn)定性的納米摩擦發(fā)電機
基于摩擦生電和靜電感應(yīng)耦合的納米摩擦電發(fā)電機(TENG)，因其優(yōu)異的發(fā)電性能、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、便攜性等優(yōu)點已被廣泛用于開發(fā)下一代電源器件。盡管，已經(jīng)有研究者報道利用水凝膠，有機凝膠用于制備柔性的自修復(fù)納米摩擦發(fā)電機，然而由于溶劑的揮發(fā)問題，這些器件相比于離子凝膠制備的納米摩擦發(fā)電機環(huán)境穩(wěn)定性較差，因此利用超分子化學(xué)來制備具有穩(wěn)定功能的離子凝膠對于柔性電子設(shè)備應(yīng)用具有重要意義。特別是具有高強度、高抗壓性能的自修復(fù)離子凝膠，對于制造下一代柔性自修復(fù)納米摩擦電發(fā)電機具有很大的吸引力。
吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室李洋副教授課題組長期從事自修復(fù)離子凝膠功能化研究。致力于通過超分子作用力來合成兼具自修復(fù)性能、機械性能與電學(xué)性能的離子凝膠并應(yīng)用于各類柔性電子器件。近年來，該課題組在自修復(fù)離子凝膠制備電子器件方面取得了一定進展，制備了具有高機械強度與高離子電導(dǎo)率的自修復(fù)離子凝膠傳感器(ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 57477?57485).基于在制備自修復(fù)功能材料與離子凝膠方面的寶貴經(jīng)驗，近期該課題組設(shè)計并報道了一種高拉伸強度和優(yōu)異抗壓縮性能自修復(fù)離子凝膠，并用于制備具有優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性能的摩擦電納米發(fā)電機。作者首先利用丙烯酸(AA)與二水乙酸鋅和ZnO納米粒子(ZnO NPs)在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([Emim][OAc])中的原位聚合，制備了PAA-Znx/ZnOm/ILn離子凝膠,其中x為二水乙醋酸鋅與AA的摩爾比，m為ZnO NPs與AA的質(zhì)量比，n為[Emim][OAc]與AA和ZnO的質(zhì)量比（圖1）。一方面聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)羧基與Zn2+之間的可逆動態(tài)鍵賦予離子凝膠良好的室溫自修復(fù)性能;另一方面聚合物鏈與ZnO NPs之間的纏結(jié)作用大大提高了離子凝膠的機械強度。
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