脈沖式摩擦納米發(fā)電機：無(wú)電源亦可釋放大能量

脈沖式摩擦納米發(fā)電機可驅動(dòng)電子設備。

作為一種全新的能源技術(shù)，基于摩擦起電與靜電感應效應耦合的摩擦納米發(fā)電機(TENG)可以直接將環(huán)境中微小的機械能轉換為電能，例如可以收集空氣或水的流動(dòng)、引擎的轉動(dòng)，甚至是人在走路、說(shuō)話(huà)、心跳、肌肉收縮等運動(dòng)中由摩擦產(chǎn)生的能量。

隨著(zhù)電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子器件和傳感器的體積和功耗越來(lái)越小，而TENG這種顛覆性技術(shù)的出現，也使得未來(lái)很多裝置不再需要電池，從其工作的環(huán)境中獲取能量就可以實(shí)現自己發(fā)電。

但是，由于TENG本身高電壓、低電流和交流脈沖的輸出特性，目前還沒(méi)有一種TENG能夠獨立、持續、穩定地為電子器件供電，都需要電源管理電路和能量存儲器件來(lái)實(shí)現穩定的輸出。

為此，河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗室/材料學(xué)院程綱教授課題組設計了一種基于脈沖式摩擦納米發(fā)電機(Pulsed-TENG)的通用無(wú)源電源管理電路，輸出阻抗得到了最大程度的降低，并始終保持輸出能量的最大化，很好地解決了傳統TENG存在的輸出阻抗高等問(wèn)題。

該研究成果近日已發(fā)表于國際期刊Nano Energy上。

優(yōu)勢：輸出阻抗為零

TENG與電磁發(fā)電機相比，其在較低的工作頻率下具有較高的能量轉化效率;與壓電納米發(fā)電機相比，其輸出電壓及能量提升了3~4個(gè)數量級，所用的材料和能量來(lái)源也更加廣泛。將TENG與電子器件在具體的工作環(huán)境中有效地結合起來(lái)，發(fā)展自驅動(dòng)的電子器件或系統，是可穿戴電子器件以及物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的發(fā)展方向。

實(shí)際上，就工作原理來(lái)說(shuō)，Pulsed-TENG與傳統的TENG是相同的，都是摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合。但是，Pulsed-TENG卻具有一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢——輸出阻抗為零。

“傳統的TENG具有輸出電壓高、電流低、輸出阻抗很高(兆歐姆量級)和輸出為交流脈沖形式的特點(diǎn)。”論文第一作者、河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗室/材料學(xué)院顧廣欽博士告訴《中國科學(xué)報》，傳統TENG的等效電路是一個(gè)恒壓源和一個(gè)可變電容器的串聯(lián)，電容器的變化速率由TENG的運動(dòng)頻率決定。但是，TENG通常在低頻下工作(幾赫茲至幾十赫茲)，這使得在較小的負載時(shí)，其電學(xué)輸出僅受控于運動(dòng)頻率，而與輸出負載無(wú)關(guān)，這也是造成TENG輸出阻抗高的根本原因。

針對上述問(wèn)題，程綱課題組在TENG的輸出端引入同步觸發(fā)的機械開(kāi)關(guān)，研發(fā)了Pulsed-TENG。據介紹，Pulsed-TENG的等效電路是一個(gè)恒壓源、一個(gè)恒定電容器和一個(gè)開(kāi)關(guān)的串聯(lián)，其電學(xué)輸出與TENG的運動(dòng)頻率無(wú)關(guān)，僅受輸出負載的控制，因此其輸出阻抗為零。這也使得Pulsed-TENG可以保持輸出電壓和能量的最大化，而不受外界阻抗的影響。

“這與普遍存在的TENG高內阻的特點(diǎn)有所不同，為未來(lái)該領(lǐng)域的研究帶來(lái)了新的啟示。”中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所研究員張弛對《中國科學(xué)報》評價(jià)道，TENG具有較大的功率密度，但受高輸出阻抗特性的制約，其對儲能器件直接充電效率極低，也無(wú)法直接為用電器件供電，而Pulsed-TENG有效的電源管理技術(shù)的進(jìn)展與突破，有望解決TENG實(shí)用化的技術(shù)瓶頸。

從“有源”到“無(wú)源”

在此之前，很多小組發(fā)展了各式各樣的有源電源管理電路，極大提高了TENG對電容或電池充電的能量存儲效率。但是，由于TENG的輸出阻抗大，與電源管理電路之間存在嚴重的阻抗不匹配，因此需要在電源管理電路中引入有源器件，這也增大了電路的復雜性和能耗。

對此，程綱課題組制備了具有單向輸出的Pulsed-TENG，并利用其阻抗匹配和單向輸出的特點(diǎn)設計出無(wú)源的電源管理電路。不僅簡(jiǎn)化了電路結構，而且在實(shí)際的充電過(guò)程中獲得了48.0%的總能量存儲效率。

但是，顧廣欽告訴記者，由于單向開(kāi)關(guān)的結構復雜，其使用環(huán)境受到較大的制約，難以與轉盤(pán)式等多種廣泛使用的TENG相匹配，因此無(wú)法用于收集環(huán)境中形式多樣的機械能。因此，他們還需要開(kāi)發(fā)一種與Pulsed-TENG相匹配的普適的無(wú)源電源管理電路，實(shí)現對TENG輸出能量的高效管理和存儲。

在本次工作中，程綱課題組就設計了一種基于Pulsed-TENG的具有普適性的無(wú)源電源管理電路。在模擬中，他們發(fā)現，匹配阻抗為0.001Ω時(shí)，其輸出電壓及能量仍可以達到最大值。這說(shuō)明了Pulsed-TENG的輸出能量可以保持最大化，不受負載電阻的影響，很好地解決了TENG與電源管理電阻阻抗不匹配的問(wèn)題。

顧廣欽表示，他們通過(guò)模擬和實(shí)際測試對基于靜電振動(dòng)開(kāi)關(guān)的Pulsed-TENG的無(wú)源電源管理電路的能量存儲效率進(jìn)行了研究。模擬結果顯示，其總能量存儲效率可以達到83.6%，在實(shí)際的充電測試中，能量存儲效率為57.8%。應用此電路存儲的電能可以驅動(dòng)商用計算器與溫度濕度傳感計等電子器件。

對此，張弛認為，這一數據也代表著(zhù)其設計的電源管理電路對于實(shí)際的產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)是可以采用的策略。此外，通過(guò)簡(jiǎn)單的電路設計實(shí)現有效的電源管理，方法簡(jiǎn)單易行，為未來(lái)陣列化和大規模應用提供了理論基礎。

產(chǎn)業(yè)化仍面臨挑戰

由于解決了TENG輸出阻抗高的問(wèn)題，Pulsed-TENG將在基于TENG的自驅動(dòng)能量包、自驅動(dòng)傳感器及其系統和網(wǎng)絡(luò )等方面有重要的應用前景。

“但就目前來(lái)說(shuō)，Pulsed-TENG要想實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用，還有很多問(wèn)題需要解決。首先就面臨多模式、高性能Pulsed-TENG的設計和制備問(wèn)題。”顧廣欽坦言。

對此，程綱課題組已經(jīng)展開(kāi)研究。顧廣欽表示，他們將從Pulsed-TENG的設計出發(fā)，集成現在TENG領(lǐng)域所有的技術(shù)手段和方法，提高TENG介電摩擦層的電荷密度，提高其輸出特性，降低摩擦阻力和磨損，并提高其耐久性、穩定性。另外還將開(kāi)發(fā)多種多樣的機械開(kāi)關(guān)，使其適用于更多模式和更多種類(lèi)的Pulsed-TENG，從而拓展Pulsed-TENG的應用范圍。

不僅如此，顧廣欽表示，現在的電源管理電路只是將TENG輸出的電能高效地存儲在電容中，但是，電容只是電能的暫存裝置，不能對外輸出穩定的電壓。因此，還需要發(fā)展更高效、多功能的電源管理電路，不僅僅能夠輸出穩定的電壓，還要對輸出電能進(jìn)行管理和分配，以滿(mǎn)足不同傳感器的需求。

“每項新發(fā)明的產(chǎn)業(yè)化應用總是存在著(zhù)諸多困難，這是新技術(shù)走向消費者必然要經(jīng)歷的過(guò)程。”在張弛看來(lái)，基于TENG的空氣凈化器、汽車(chē)尾氣處理裝置和夜跑發(fā)光鞋等已經(jīng)成功孵化。目前，Pulsed-TENG在實(shí)驗階段已經(jīng)取得了很多的成果，市場(chǎng)化的關(guān)鍵就是找到真正需要此類(lèi)發(fā)明的地方，即“痛點(diǎn)”。

為此，張弛建議從Pulsed-TENG收集低頻、低振幅的特點(diǎn)出發(fā)，尋找需要此類(lèi)應用的地方。另外，為了盡快實(shí)現項目落地，初期的樣機設計也必不可少，他建議在實(shí)驗室成果報道的同時(shí)，做好樣機的研發(fā)和推廣。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104372