从大自然中获取可再生能源被认为是解决世界能源和环境问题的可持续解决方案。对于常年雨季的地区,雨滴型摩擦 纳米 发电机 (TENG)能收集雨滴下落的机械能并将其转化为 电能 。研究发现,其输入能量和界面处的机械冲击在提高表面电荷密度和功率输出方面十分重要。然而,目前大多数研究只关注TENGs的电输出,而忽略了机械输入能量和能量转换过程,同时缺乏能量转换过程的定量分析方法,因此尚未实现高性能的TENG设计

中国海洋大学李潇逸教授、 徐晓峰 教授中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员等人提出了一种定量分析方法,称为动能计算和电流积分(KECCI)方法,其显着提高了对机械-电能转换过程的理解。基于KECCI方法,作者通过系统优化仿生表面结构和瞬时开关设计,开发了一种具有1.25 mA短路电流、150 V开路电压和24.89%转换效率的高性能瞬时摩擦纳米发电机(I-TENG)。作者还提出了一种多层I-TENG结构,用于连续收集雨滴的动能,以进一步提高能量转换效率。最后,作者将多层I-TENG与有机光伏集成,实现全天候能量收集。该工作提供了一个新的理论基础以指导TENG进一步向更高性能发展,并促进TENG系统在全天候应用中的商业化。该研究以题为“Energy Conversion Analysis of Multi-Layered Triboelectric Nanogenerators for Synergistic Rain and Solar Energy Harvesting”的论文发表在《Advanced Materials》上。

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【I-TENG的设计与定量方法】

作者开发了一种由仿生表面结构和瞬时开关结构设计组成的瞬时摩擦纳米发电机(I-TENG),可将先前TENG器件的输出提高10倍以上。该I-TENG以Pt线作为顶部电极,氧化铟锡作为底部电极,聚四氟乙烯(PTFE)作为摩擦层,并在PTFE表面上通过等离子体刻蚀产生带有微/纳米柱状突起的仿生结构。这些仿生结构赋予了器件的超疏水性能,能增加表面电荷密度和减少界面液体残留。I-TENG的电压、电流、转移电荷和能量转换效率分别为150 V、1.25 mA、150 nC和24.89%,远高于之前的报道。此外,作者提出了一种定量方法,称为动能计算和电流积分方法(KECCI),用于表征能量转换流、液滴下落速度、输入机械能/动能、摩擦压力。根据该方法可得到摩擦表面上存在的有效压力和液滴落到表面上的最佳高度,以促进对TENG系统中能量流的理解,并指导此类系统的多层结构设计的开发。

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图1 I-TENG的物理结构和电输出

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图2 I-TENG的高度和输出之间的关系建立

【多层结构化I-TENG】

当雨滴从高空落下时,只有一小部分势能转化为动能,且只有一小部分动能转化为电能。为了缓解这个问题,作者提出了一种多层结构,该结构允许中间阶梯式集水过程。其中水最初由装置的最顶层收集,然后滴落到额外的I-TENG层上,极大地提高了总能量产生和能量转换效率。作者计算了不同层数的I-TENG在50、75和100 cm高度下的电能输出。当液滴从75 cm落下时,三层I-TENG的输出能量是单层器件的3.07倍;当液滴从100 cm的高度落下时,四层器件的输出能量是单层器件的4.15倍。最后,根据KECCI方法,整个能量转换过程以动能输入能量开始,以电能输出能量结束。因此,该定量分析方法能够为输入和输出能量的量化提供一个标准。

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图3多层结构化I-TENG的输出能量

【全天候的混合能量收集系统】

作者设计了一个由聚合物 太阳能 电池(PSC)和I-TENG组成的多层混合能量收集系统来实现全天候能量收集。其中混合装置的顶部是包含透明PTFE薄膜的I-TENG,而底部是PSC。在太阳光下,该混合系统展现出了14.4%的高功率转换效率。此外,该混合系统在不同降雨强度下产生了大致相同的输出电流幅度,而在较高的降雨强度下电流密度明显更高。这说明该设备在大雨和小雨条件下都具有良好的性能。该混合能量收集系统弥补了太阳能电池在阴雨天气中的部分损失,从而展示了全天候能量收集的优势。在晴天,混合能量收集系统会快速将 电容器 充电至3 V。如果天气变化,开始下雨,电容器将从3 V充到65 V。这种高性能的混合能量收集系统为从多种自然资源中收集能量提供了新的策略,从而推动了TENG技术的产业化。

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图4 I-TENG和PSC组成的混合系统

总结:作者提出了一种定量分析方法,并开发了一种由仿生表面结构和瞬时开关结构设计组成的瞬时摩擦纳米发电机(I-TENG)。多层I-TENG可以连续多次收集雨滴的能量,显着提高能量转换效率。由高性能I-TENG和PSC组成的混合能量收集系统可以交替收集雨水和太阳能。该研究在建立TENG能量转换过程的定量分析和全面了解TENG的工作原理方面具有里程碑意义。此外,它为高效器件的设计和制造提供了策略,从而加速了TENG的商业化进程。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202238

来源:高分子科学前沿

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