风力发电传感器（Research重庆大学自供能传感实验室实现摩擦纳米发电机的高输出与耐久性共存）

来源：微信公众号“Research科学研究”

近期，重庆大学自供能传感实验室报道了一种基于电荷界面转移和界面润滑的高性能TENG，该发电机具有48%的能量转换效率，87 W·m-2·Hz-1的平均输出功率，2 mC·m-2的表面电荷密度，以及超强的耐久性。

相关研究以题为“Ultrahigh Performance Triboelectric Nanogenerator Enabled by Charge Transmission in Interfacial Lubrication and Potential Decentralization Design”发表在Research上。论文通讯作者为重庆大学郭恒宇教授、胡陈果教授以及山东大学刘宏教授。

研究背景

自2012年以来，基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）发展迅速，由于其成本低、易于制造、驱动频率低以及输出电压高等特点，已经在物联网传感、人机交互、能量采集等方面展现出特有的优势。

为了能够为更多种类和更高耗能的传感器供电，TENG的输出性能需要不断提升。随着输出电荷密度的提升，空气击穿和介质击穿也成为了不可避免的问题。此外，器件表面磨损阻碍滑动式TENG持续稳定输出和使用寿命，解决这一问题将极大地推进TENG的实际应用，促进TENG向商业化发展。

TENG在收集外界能量时，如何高效将外界能量转化为电能是研究者们一直感兴趣的问题。滑动式TENG在收集环境机械能量时较大的摩擦力导致材料表面磨损的同时也难免会导致低的能量转化效率，而为了减少摩擦力而采取的诸如柔性接触和非接触等方式，几乎都是以牺牲输出性能为代价的策略。因此同时提升TENG的输出性能和耐久性非常具有挑战性。

研究进展

重庆大学自供能传感实验室提出了一种高效的界面润滑TENG。在电荷空间积累效应，油液界面润滑以及电压平衡棒的共同作用下，实现了TENG高输出与强耐久性的共存。

图1. 界面润滑增强型TENG的结构和性能

研究发现，当摩擦层之间具有一层微米级油膜时，摩擦层之间可以相互摩擦带电。摩擦层材料表面通过SEM表征可以发现其凹凸不平的表面形貌，在油液润滑界面时，凸出的部分将会直接摩擦起电，而凹陷的部分则可以和油液摩擦起电。

液体带电后，相反电荷在液体的流动中又重新复合，如此便使得摩擦层表面凹陷部分也能够带上电荷，从而提升表面电荷密度。得益于电荷界面转移机制，实现了1.96 mC·m-2高电荷密度，是目前滑动式交流输出TENG的最高电荷密度。

尽管在油液中可以很好地避免空气击穿，但当表面电荷密度提升后，介质击穿成为新的问题。为此研究者通过仿真设计电压分散方案并在实验上得到验证。将电极间开路电压由15 kV降低至10 kV，有效地防止了电极间介质击穿，进一步保障了器件的稳定运行。

图2. 电荷界面转移效应和电压平衡设计

润滑油广泛应用于各种机械结构以减小机械部件之间的磨损。油液同样也可以为TENG润滑界面。油液界面润滑带来的不止是电荷密度的提升，回归油液润滑的初心，在界面加入润滑油液之后，摩擦层之间的摩擦系数随之而降低。

相比于摩擦层在空气中干摩擦，具有界面润滑的TENG的摩擦界面材料表面磨损更少，并且油液可以及时的带走表面产生的摩擦碎屑，有效地防止了碎屑堆叠产生的二次磨损。

因此，在界面润滑下，所设计的TENG在高达50万次循环后仍然保持着90％输出性能。而在空气中，在4万次循环后输出仅为原来的40%。因此通过合适的界面润滑可以大幅提升滑动式TENG的耐久性。

图3. 界面润滑和器件耐久性

最后，通过合理的设计，将水平滑动式TENG转化为转动式TENG，以便于收集较为常见的转动能量。该转动式TENG实现了562 W·m-2·Hz-1的峰值功率和87 W·m-2·Hz-1的平均功率，以及2 mC·m-2的电荷面密度。如此高的电荷面密度对于大面积转动式的TENG是独有的。

此外，该器件具有48%的能量转换效率，可以有效地收集能量并转化为电能为其他传感电子器件供能。该器件至少可以点亮1856盏LED灯，并在低频下为无线光线传感器、蓝牙温湿度计、局域网开关及亮度传感器供电，也可以为智能手机充电。

图4. 转动式TENG的高输出能力和实际应用

未来展望

基于电荷空间积累效应的TENG在提升滑动式TENG的电荷密度和输出功率上已经展现出了独特的优势，可以广泛地应用于其他实际用途的TENG。

界面润滑和电压分散设计能够保障器件的稳定运行，未来可以改善润滑液，进一步减小摩擦系数，提升能量转换效率。

也可将器件封装并应用户外，收集风能水能等机械能，为自供电环境监测，农业监测等无线传感网络供能。

作者简介

郭恒宇，重庆大学弘深青年学者特聘教授，获重庆市青年拔尖人才项目支持。

研究内容主要围绕环境微纳力电转换的纳米发电技术，在其基础器件物理理论、关键材料、能量管理、自驱动传感等方面取得了一系列创新性的研究成果，推动了相关领域的进步。

发表SCI论文130余篇，其中ESI高被引论文15篇，论文共计引用12000余次，H指数为58，获权发明专利10项，任Energies期刊编委。

（http://www.phys-sssl.cn/home）

刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。

主要研究方向为组织工程与干细胞分化、生物传感与体外诊断、光电材料与纳米能源等。

发表SCI文章400余篇，被引超23000次，H指数为72，40余篇高被引用论文，授权专利40余项，有关生化传感器研究在山东大学进行了千万元成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。

（https://www.sklcm.sdu.edu.cn/info/1059/1555.htm）

胡陈果，重庆大学教授，国务院特殊津贴专家，Nano Energy和Research副主编，Nano-Micro Letters和Nano Materials Science编委。

主要从事表面界面物理及相关功能器件设计和应用等方面的研究，特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新的工作。

共发表SCI 论文300 多篇，被引用14000 多次（Web of Science），H指数为65。主持国家自然科学基金6项，省部级基金4项，主研科技部项目1项，863子课题1项。申请发明专利36项，获授权27 项，获得省部级自然科学一等奖1项和二等奖2项，获得中国产学研合作创新成果优秀奖1项。

（http://www.phys-sssl.cn/home）

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