收集全天候海浪能量的扁球状摩擦纳米发电机

在众多形式的能源中，海洋蓝色能源因其涵盖面积广总量大而成为最具潜力的能源之一。然而，一直以来缺乏经济高效的采集技术制约着蓝色能源的开采和发展。新兴的摩擦纳米发电机（TENG）以收集周边环境机械能见长，其基于静电感应和摩擦起电效应，有别于传统电磁发电机，具有重量轻、低成本，特别适合收集海水表面低频机械能。过去几年间，向蓝色能源进军成为了摩擦纳米发电机重要的发展方向，吸引着越来越多的科研机构和人员投身其中。然而，要想让摩擦纳米发电机阵列达到产业化所应具备的高效和稳定，仍然有很长的路要走。

最近，美国佐治亚理工学院王中林院士（点击查看介绍）课题组与重庆大学胡陈果教授（点击查看介绍）课题组合作，首次提出了扁球外壳的摩擦纳米发电机，其扁球外壳内包含着两个原创发电机单元，针对两种海况而设计，是一种收集全天候海洋蓝色能源的新策略。如图左侧，上层发电机由三个基于弹簧钢片的拱形单元和其上的铁饼组成，拱形钢片起到弹簧和电极的双重作用，恰好支撑起铁饼重量，免除了弹簧等构件的使用，具有体积小低成本的优势。下层发电机由两辐射状的薄膜和钢珠组成，钢珠的来回滚动可使两镀铜薄膜接触分离而输出电能。

为凸显扁球壳相对于球壳的优势，研究人员计算了钢珠在扁球壳和同腰围的球壳在倾斜不同角度下偏离中心的距离，以及其所能覆盖的底部面积，如图右侧所示，其中蓝色线条和色块表示球壳的数据，其他颜色表示不同高度扁球壳的数据。扁球壳和球壳均偏转相同角度下，在扁球壳内的钢珠滚动到最低点处偏离中心的弧长更长，运动更显著，响应也就更灵敏。在相同倾斜角度下，钢珠到达最低点绕轴旋转一周所围绕的弧面面积也越大。由此，在小海浪的冲击下，扁球壳中的物体运动更明显，也就能让更多的摩擦层接触分离，所制作的发电机输出性能也更高，从而更能有效利用微小海浪能量。而对于大海浪而言，扁球状发电机依靠专门设计的上层发电机，其具有高输出的特点，由此明确分工，各有所长。

对扁球壳而言，发生偏转后，其重心在其弧面的帮助下可形成一个回复力矩，驱使扁球壳回到起始水平状态，从而拥有其他形状外壳无可比拟的自回复稳定性，有着节省固定材料的优势。此外，扁球外壳的采用还赋予了下层发电机高响应的特点。研究人员探究了两层发电机工作原理和输出性能，最大可获得开路电压281 V，短路电流76 µA和半周期转移电荷量270 nC。此外，还在水上测试了输出性能，基本与实验数据吻合，并实现了为电容器充电。所提出的扁球状外壳和双层发电机的策略为未来摩擦纳米发电机收集全天候蓝色能源提供了新结构和新思路，有望成为未来蓝能发电机外壳设计中的重要选择。

相关工作发表在Advanced Energy Materials 上。博士生刘官林、郭恒宇博士、徐思行为共同第一作者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、重庆大学物理学院胡陈果教授为论文的共同通讯作者。

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Oblate Spheroidal Triboelectric Nanogenerator for All-Weather Blue Energy Harvesting

Guanlin Liu, Hengyu Guo, Sixing Xu, Chenguo Hu, Zhong Lin Wang

Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1900801, DOI: 10.1002/aenm.201900801

导师介绍

王中林

https://www.x-mol.com/university/faculty/26757

胡陈果

https://www.x-mol.com/university/faculty/69078