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  微電子技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展給人類的生活帶來了巨大的變化，大量分布于環(huán)境中傳感節(jié)點的供電問題已成為傳感網(wǎng)絡(luò)向前發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。因此，收集環(huán)境中的清潔能源（海洋能，風(fēng)能和太陽能等）為傳感節(jié)點持續(xù)有效地提供為實現(xiàn)自驅(qū)動傳感網(wǎng)絡(luò)提供了一種可持續(xù)而穩(wěn)定的供電策略。王中林院士于2012年提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）可將環(huán)境中的機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為電能，其具有重量輕、材料選擇豐富、結(jié)構(gòu)靈活、易于制造、成本低等優(yōu)點。如何設(shè)計一種具有超高輸出穩(wěn)定性，耐久性和低頻下較高能量轉(zhuǎn)化效率的摩擦納米發(fā)電機(jī)仍然是一項挑戰(zhàn)。 

  近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士的指導(dǎo)下，林志明博士、研究生張彬彬（共同一作）等人提出了一種傳動機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機(jī)相結(jié)合的發(fā)電機(jī)，該設(shè)計方案為摩擦納米發(fā)電機(jī)的耐久性提升提供了有效的途徑。同時，基于單擺模式的轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機(jī)單元可將環(huán)境中的低頻激勵轉(zhuǎn)化為高頻的電能輸出，提高了能量轉(zhuǎn)化效率。在受到外界激勵時（如波浪），傳動機(jī)構(gòu)使摩擦層間接觸分離，實現(xiàn)接觸帶電過程。環(huán)境中的擾動使轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機(jī)在沒有摩擦阻力的條件下作單擺運(yùn)動，從而實現(xiàn)低頻激勵下的高頻電輸出。該發(fā)電機(jī)連續(xù)工作50萬 次后電輸出僅衰減1.8%。通過收集波浪能，該發(fā)電機(jī)可驅(qū)動溫濕傳感器實現(xiàn)環(huán)境中的自驅(qū)動傳感。該成果以題為“Rationally designed rotation triboelectric nanogenerators with much extended lifetime and durability”發(fā)表在Nano Energy上。 

圖1 摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

a) 摩擦納米發(fā)電機(jī)的水中示意圖。b) 摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)分解圖。c) 定子和轉(zhuǎn)子的照片。d) PTFE摩擦層的SEM圖像

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理

a) 摩擦納米發(fā)電機(jī)的接觸帶電過程。b) 摩擦納米發(fā)電機(jī)的靜電感應(yīng)實現(xiàn)電輸出過程。

圖3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)移電荷測量

a) 摩擦納米發(fā)電機(jī)所受環(huán)境激勵示意圖。b)不同激勵次數(shù)的轉(zhuǎn)移電荷數(shù)量。c) 連續(xù)激勵轉(zhuǎn)移電荷數(shù)量曲線。d) 不同激勵間隔時間的轉(zhuǎn)移電荷數(shù)量曲線。e) 不同激勵作用力的轉(zhuǎn)移電荷數(shù)量曲線。e) 不同激勵角度的轉(zhuǎn)移電荷數(shù)量曲線。

圖4 摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能

a) 不同激勵加速度的電壓和電流輸出。b) 單次激勵下電輸出特性。c) 在各種負(fù)載下的峰值電流、電壓和峰值功率輸出。d) 摩擦層表面電荷數(shù)量的變化。e) 摩擦納米發(fā)電機(jī)電輸出的耐久性測試。

圖5 摩擦納米發(fā)電機(jī)在水波中的能量收集性能和應(yīng)用演示

a) 摩擦納米發(fā)電機(jī)的整流輸出陣列示意圖。b) 單一摩擦納米發(fā)電機(jī)中嵌入不同數(shù)量摩擦層的電輸出對比。c) 嵌入不同數(shù)量摩擦層的充電測試對比。d) 水波驅(qū)動下，摩擦納米發(fā)電機(jī)點亮“OCEAN”LED的照片。e) 摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動溫濕傳感器的照片。

  本文中報道了一種提高摩擦納米發(fā)電機(jī)耐久性與低頻下高效輸出的方法，其通過感受外部激勵的傳動機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)盤式摩擦層接觸和分離，轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機(jī)在外部擾動下，可無摩擦阻力作單擺運(yùn)動實現(xiàn)電能輸出。該摩擦納米發(fā)電機(jī)大大提高了工作的耐久性和低頻下的能量轉(zhuǎn)化效率，可為環(huán)境中的傳感節(jié)點持續(xù)供電。作者相信這一方法將有助于摩擦納米發(fā)電機(jī)耐久性的進(jìn)一步研究。 

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104378