摩擦纳米发电机特殊结构的设计

引言随着摩擦纳米发电机的迅猛发展，为了长远可持续发展，TENG除了在常规环境下使用外，还应适应如下雨、下雪、雾天、高度潮湿等环境，则需要摩擦纳米发电机进行封装处理来避免外界环境对内部材料的影响，因此在结构设计上，一方面需要器件具有良好的密封性以隔绝外部环境的影响，另一方面，也需要设计良好的内部结构提高器件的输出性能，从而很好的收集各种机械能。下面将介绍几种不同结构的封闭式摩擦纳米发电机。01弹簧结构

如下图所示，Jiang等人设计了一种弹簧辅助的接触-分离式封闭摩擦纳米发电机用于收集水波能。器件结构包括：亚克力板材质的立方壳体，壳体内部上下的铜电极以及由弹簧相连的覆盖有铜电极和PTFE膜的亚克力板，其中，PTFE膜通过电晕极化可以提高摩擦纳米发电机的输出性能。之后，通过测试器件在直线电机上有规律振动下的输出性能，研究了电机加速度、弹簧刚度和弹簧长度对TENG的影响，并通过调整弹簧参数对TENG进行了结构优化。最后，将优化后器件密封处理，当器件数n为1时，平均电流幅值约为29.6μA，在n为4时，平均电流幅值大幅增加至70.2μA。进一步地，如果将成千上万的这样的器件单元整合起来，像TENG网络一样共同工作，将有效地收获大范围的蓝色能源，有效地用于收集水波能。封闭弹簧结构TENG的（a）模型示意图和（b）实物照片；（c）在PTFE表面产生负电荷的电子注入过程；（d）封闭弹簧结构TENG内部摩擦材料的工作机理示意图02嵌套结构如下图所示，Xu等人设计了一种球-壳嵌套结构单元网络的摩擦纳米发电机，用于收集水波能。一个球-壳结构的单元包括:一个硅橡胶球和内部附有电极和硅橡胶作为摩擦层的两个半球形壳。其中，对硅橡胶球进行紫外线（UV）处理，可以增强摩擦起电的效果，并且它的柔软性可以增大有效接触面积从而提升耐久性。此外，还对半球形壳内的硅橡胶混合聚甲醛（POM）颗粒来制造表面微结构，进一步促进了摩擦带电能力，并且降低了硅橡胶表面的粘性。之后，将这些TENG单元有效连接成TENG网路，其输出性能与未进行连接的TENG相比，提高了10倍以上。此外，制作并表征了三种不同连接方法的TENG网络，证明柔性连接的性能比刚性连接好得多。优化后的TENG网络结构对水波能有很高的响应，能很好的收集波浪能，是实现蓝色能源梦想的有效方式。嵌套结构摩擦纳米发电机。（a）单元的内部结构照片；（b）多个球壳结构的实物照片；（c）TENG单元的结构示意图；（d）三种不同类型TENG网络的整流短路电流；（e）未来用于收集波浪能的大型TENG网络设想图03旋转滑动结构

如下图所示，Feng等人设计了一种基于旋转滑动的扇形摩擦纳米发电机和电磁发电机（EMG）混合的摩擦纳米发电机。其中，TENG旋转的动力由EMG提供，使得PTFE与柔性毛刷摩擦产生电荷。与传统的接触式TENG相比，柔性毛刷的引入降低了运行阻力，提高了器件的耐用性的同时，获得了大于20μC/m2高的电荷密度，对于最优的TENG，触发单个水波就可以在15s内产生超过60个的电流脉冲，在0.1Hz的水波激励下，峰值功率可达2.71W/m2。因此，除了收集超低频率下的水波能外，在水文数据及无线传输方面将有很大的应用潜力。封闭弹簧结构TENG的（a）模型示意图和（b）实物照片；（c）在PTFE表面产生负电荷的电子注入过程；（d）封闭弹簧结构TENG内部摩擦材料的工作机理示意图04摆锤结构设计了一种摆锤结构的独立层模式摩擦纳米发电机，如下图所示，它由三部分组成：一个底部电极层、一个钟摆摩擦面及间隔相同的PTFE线条。当在外部用棉线控制摆锤运动时，摆锤一面的铜层与PTFE接触而产生摩擦电荷，其中，PTFE经过了ICP处理，可以促进表面摩擦效果。此外，底部电极与摆锤之间存在1mm的间隙，可以有效减少材料的磨损。当触发TENG运动时，摆锤式摩擦纳米发电机可在2Hz的频率下显示出持续120s的电能输出，其输出能量是传统独立式摩擦纳米发电机能量的14.2倍。由于摩擦电层和电极之间的气隙和静电感应机制，摆锤式TENG可以在很小的摩擦阻力和表面磨损的情况下工作，大大提高了其坚固性和耐用性。这种摆锤式TENG，不仅可以使用钟摆结构多次提高输出频率，而且还可以通过将冲击动能转化为势能来极大地提高收集效率，具有倍频输出和出色的耐久性，可以有效收集风能和水波能，为大规模能量收集提供了一个绿色可持续的有效途径。摆锤结构的摩擦纳米发电机。（a）TENG的示意图；（b）摆动的摩擦材料层的照片和制成的TENG；（c）摩擦带电过程中TENG的工作原理示意图