重庆大学胡陈果课题组《Adv. Mater.》:基于优化的电荷传输行为的高性能自激液体悬浮TENG

近几年，摩擦纳米发电机（TENG）在收集能量方面取得了飞速的发展，使得基于收集周围微弱机械能的物联网中传感网络的自供电系统得以更高效的运转。一方面，TENG的输出需要不断提升以适应种类繁多供能复杂的传感器，另一方面，TENG长期稳定的运行是实现商业化和实际应用的前提。非接触模式可以提升TENG的耐久性，但是需要人为干预起电。液体悬浮式非接触TENG不仅可以有效的提升耐久性，还能更好的揭示电荷在液体中的传输行为。

重庆大学胡陈果教授课题组在《 Advanced Materials 》期刊上发表了题为“Large Harvested Energy by Self-Excited Liquid Suspension Triboelectric Nanogenerator with Optimized Charge Transportation Behavior”的文章（ DOI: 10.1002/adma.202209657 ）。文章通讯作者为重庆大学胡陈果教授，第一作者为重庆大学博士生贺文聪。在之前的研究中发现液体润滑策略可以极大的提升 TENG 的耐久性并保持较好的输出特性，同时也发现了其对于 TENG 输出的促进作用。为了进一步研究证实液体电介质对于 TENG 的促进机理，将液体电介质引入到了非接触模式 TENG 中，实现液体悬浮式非接触 TENG （ LS-TENG ）。研究指出，在动子和定子之间的间隙中，电荷在液体电介质中的输运行为可以很好的被研究。通过实验证实了绝缘性液体电介质的固液摩擦起电效应、电荷在绝缘性液体中的输运和耗散效应以及同种介质非均匀电荷密度下的静电感应效应对于自激励液体悬浮摩擦纳米发电机（ LS-TENG ）的输出的促进作用 。双介电层保护了电极不受液体侵蚀并防止了电极上电荷逃逸，奠定了电荷密度的基础；固液摩擦起电和液体流速梯度造成的不均衡电荷密度下的同种介质感应起电摆脱了传统非接触式 TENG 的初始带电的困扰，实现自启动，极大的提升了器件的实用性；结合自激励稳压电路极大的提升器件的输出， LS-TENG 的电荷密度可达到 704 µC m-2 。由于其非接触的特性，较小的能量可以驱动其工作，将其用于收集风能，峰值功率密度可达 23.9 W m-2 。结合电源管理电路，充电速率可达 745 µC s-1 ，并且能够为多种无线传感器供电。并且在超过至少 23 万次循环中保持平稳恒定输出。本工作提供的方法为研究液体 - 电荷输运行为和提升非接触 TENG 的输出提供了新思路。

图 1. LS-TENG 的机理和输出性能。 a)LS-TENG 应用场景。 b) 电荷 - 液体耗散示意。 c) 施加 2kv 恒压时的转移电荷。 d)LS-TENG 3D 原理图。 e) 固液摩擦起电和电荷转移机理。 f) 电压倍增稳压电路 (VMSC) 。 g)LS-TENG 的电荷密度。 h) 典型非接触 TENG 输出电荷密度比较。

图 2. 滑动模式 LS-TENG 的性能。 a) 施加 2kv 电压时，不同间隙的非接触 TENG 的最大电荷密度。 b) 使用 VMSC 时，不同间隙下 LS-TENG 的最大电荷密度图。 c) LS-TENG 的电荷密度 (gap: 80 μm) 。 d) 空气中非接触 TENG 的电荷密度 (gap:80 μm) 。 e) 不同滑动速度下的输出 (gap:150 μm) 。 f) 不同液体中的输出。 g) 定子和滑块上不同摩擦材料下的输出电荷。 h) LS-TENG 在不同负载下的电压 - 电荷曲线。 i) 不同负载电阻 (0.1 m s−1) 下的功率密度、电流密度和电压。

图 3. 转动 LS-TENG 的结构和输出性能。 a) 完全浸没于液体的 LS-TENG3D 示意图。不同转速下 b) 电荷和 c) 电流输出 ( 间隙 :150 μm) 。 d) 电压 e) 电荷 f) 电流 ( 间隙 :100 μm) 。 g) 通过 LS-TENG 对电容器充电。 h) 外部负载 200MΩ 时的电压 - 电荷曲线。 i)60 rpm 时不同负载电阻下的功率密度、电流和电压。

图 4. LS-TENG 收集风能时的输出性能。 a) 浸泡在液体中用于收集风能的旋转 LS-TENG 的示意图。不同风速下的 b) 输出电荷 c) 短路电流 (gap:150 μm) 。 d) 2.8 m s−1 风速下的电压。 e) 短路电流与风速的关系。 f) 不同负载电阻下的输出功率、电流和电压 (gap:80 μm) 。 g) 外负载 200 MΩ 时的 V-Q 曲线。 h) 不带电源管理电路和 i) 带电源管理电路 (3 m s−1) 时 LS-TENG 对各种电容进行充电。

图 5. LS-TENG 的耐久性和应用展示。 a) LS-TENG 在 234 k 次循环内的耐久性 ( 间隙 :150 μm) 。 b) 经耐久性测试后的摩擦层表面光学显微照片。 c) 为两个并行蓝牙湿度计供电。 d) 为蓝牙水浸探测器供电，通过蓝牙连接 iPad 。 e) 驱动智能场景。 f) 同时点亮 4200 个绿色 LED 灯。 g) 由 LS-TENG 驱动的安全标志。

https://doi.org/10.1002/adma.202209657

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