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浙大科研團(tuán)隊(duì)研制多倍頻高性能摩擦納米發(fā)電機(jī) 論文第一作者為浙江大學(xué)海洋學(xué)院2019級(jí)博士研究生夏克泉，通訊作者為浙江大學(xué)海洋學(xué)院徐志偉教授。 做個(gè)水氣球發(fā)電 氣球是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的一種兒童玩具，向氣球中注入水后，它會(huì)具有很好的彈性和可拉伸特性。同時(shí)，構(gòu)成氣球的PVC材料是一種具有優(yōu)良摩擦電特性的介電材料。 夏克泉突然奇想，是不是能夠?qū)⑦@個(gè)特殊結(jié)構(gòu)與近年來(lái)專注的納米能源研究結(jié)合起來(lái)，利用生活中習(xí)以為常的材料發(fā)電。 于是研究團(tuán)隊(duì)制備了一種基于水氣球（WB-TENG）的多倍頻高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)用于波浪能收集。所提出的WB-TENG由一個(gè)方形盒和一個(gè)水氣球兩部分構(gòu)成。方形盒內(nèi)壁上覆蓋一層導(dǎo)電銅箔，再在導(dǎo)電銅箔表面粘貼一層尼龍薄膜。將導(dǎo)線放到氣球中，然后向氣球中注入氯化鈉水溶液，最后通過(guò)打結(jié)的方式進(jìn)行密封。將制作好的水氣球放到方形盒子中，這樣WB-TENG發(fā)電器件就制作完成了。  圖1. (a) WB-TENG浮在水面的效果展示圖；(b, c) WB-TENG的結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖和內(nèi)部材料分布情況；(d) WB-TENG的實(shí)物圖；(e-f) 水氣球的制作過(guò)程圖；(h, i) 氣球薄膜和尼龍薄膜的電鏡照片。 為什么會(huì)發(fā)電？ 根據(jù)摩擦起電原理，當(dāng)氣球和尼龍薄膜相互碰撞摩擦?xí)r，兩種薄膜的表面會(huì)帶上等量的異種電荷。當(dāng)兩種薄膜做接觸-分離運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，氣球中的氯化鈉溶液和附著在尼龍薄膜上的導(dǎo)電銅箔就會(huì)感應(yīng)出等量異種電荷，這時(shí)，在連接兩個(gè)電極的電路中就會(huì)產(chǎn)生交變電流，于是就可以發(fā)電了。  圖2. WB-TENG的發(fā)電原理 水氣球的妙用 以往的研究報(bào)道了多種用于收集水波能的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，包括球形結(jié)構(gòu)，圓筒形結(jié)構(gòu)，塔形結(jié)構(gòu)和蝴蝶形結(jié)構(gòu)等，取得了很好的發(fā)電效果。但是，工作模式單一，能量轉(zhuǎn)化效率低，這限制了TENG的在海洋環(huán)境下收集波浪能的實(shí)際應(yīng)用。因此，在這項(xiàng)工作中，WB-TENG能夠?qū)崿F(xiàn)三種工作模式（完全接觸-分離模式；局部接觸-分離模式；往復(fù)接觸-分離模式），可以收集任意方向的機(jī)械能，這極大的推動(dòng)了TENG在海洋能收集方面的應(yīng)用。 此外，由于水氣球具有很好的彈性，當(dāng)WB-TENG受到低頻率的外力作用時(shí)，水氣球會(huì)在盒子內(nèi)部不斷和內(nèi)壁碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生多倍頻的輸出電流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在相同的條件下，WB-TENG在一個(gè)工作周期內(nèi)的總轉(zhuǎn)移電荷是傳統(tǒng)的基于雙板結(jié)構(gòu)的TENG的28倍，表明這種基于水氣球的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)大大提升能量轉(zhuǎn)化效率。除此之外，由于水氣球在不增加任何支撐結(jié)構(gòu)的情況下也能達(dá)到自支撐的效果，使得WB-TENG在輕微振動(dòng)下仍能產(chǎn)生電學(xué)輸出。 根據(jù)水氣球可拉伸性，在氣球與尼龍薄膜的不斷碰撞摩擦過(guò)程中，氣球表面很不斷的積累電荷直到達(dá)到飽和，這會(huì)帶來(lái)超高的輸出性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在1.5赫茲的工作頻率下，WB-TENG短路電流的瞬時(shí)峰值可以達(dá)到147微安，開(kāi)路電壓的瞬時(shí)峰值可以達(dá)到1221伏。同時(shí)，WB-TENG在外接負(fù)載為20兆歐時(shí)達(dá)到最大輸出功率，其瞬時(shí)峰值為13.52毫瓦。 值得一提的是，WB-TENG除了作為發(fā)電器件，還可以作為傳感器件反應(yīng)波浪的振動(dòng)情況，對(duì)于海洋能收集和海洋環(huán)境下分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有著積極意義。  圖3. 三種工作模式示意圖及其電學(xué)輸出特征：(a) 完全接觸-分離模式；(b) 局部接觸-分離模式；(c) 往復(fù)接觸-分離模式。  圖4. (a)集成了能源管理電路的WB-TENG示意圖；(b)未來(lái)用于海洋波浪能收集的大型WB-TENG陣列的想象圖；(c)WB-TENG對(duì)不同電容的充電效果；(d, e)基于能源管理電路的不同工作狀態(tài)；(f)在波浪作用下，30個(gè)LED燈珠可以被WB-TENG點(diǎn)亮；(g)142個(gè)被排成“ZJU OCEAN 2020”的LED燈珠被點(diǎn)亮的照片；(h)不同浪高情況下的電壓輸出。 徐志偉教授建設(shè)的海洋電子與智能系統(tǒng)研究所以信息科學(xué)與海洋信息物理為學(xué)科交叉的基礎(chǔ)，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用于海洋的信息電子、智能機(jī)器人以及新能源材料/器件。本研究由中央高�；鹳Y助和國(guó)家自然科學(xué)基金資助（61674128、61731019）。 |
