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我科学家首次提出纳米发电机输出能量的高效储存技术方案
爱因斯坦 2016-03-14
导语

为了给电子器件持续供电,中科院王中林院士早先发明了摩擦纳米发电机。然而,由于其脉冲式交流输出、频率可变、强度不规则等特性,该发电机不能直接用来驱动电子器件。为了解决该难题,近日,该研究团队首次提出了纳米发电机输出能量的高效储存技术方案。

当你着急打电话手机却没电了的时候,或者骑着电动车半道没电了的时候,又或者户外运动时GPS定位手环没电了的时候,你有没有过希望有种技术发明能让你的电子设备不要断电?

随着移动、可穿戴、植入式等电子器件的快速发展,寻找可持续供电的微瓦至毫瓦能量级的新一代轻便移动电源成为当今日趋重要的研究课题,也成为破解产业发展瓶颈的关键。

为了给电子器件的持续供电提供一种切实可行的解决方案,自2012年以来,中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、美国佐治亚理工学院校董教授王中林院士发明了摩擦纳米发电机(参见:生物全可降解的摩擦纳米发电机)。这种发电机的原理是基于摩擦起电和静电感应这两种物理效应。当金属和绝缘高分子通过接触摩擦起电后,带电的高分子材料在两个金属电极间相对运动,由于静电感应效应,两个金属电极间电荷通过外电路发生往复运动,产生电流。由于多样的材料选择,低成本,以及可能的柔性设计,这种摩擦电机具有广泛的应用前景。

然而,由于其脉冲式交流输出、频率可变、强度不规则等特性,该发电机不能直接用来驱动电子器件,还需设计功率管理电路和能量存储单元如电池或电容器等。纳米发电机需要和能量储存单元通过一个全波段整流桥连接,从而复合为一个自充电能量系统。但是,之前大多数研究主要关注于纳米发电机在外电阻下的输出性能,只有很少一些研究探索了发电机的充电过程和高效充电。

针对上述问题,在王中林院士带领下,由訾云龙博士、王杰博士、王思泓博士等组成的科研团队进行了理论上的开拓和实验上的验证。该团队首先创新性地利用电压-电荷转移量(V-Q)曲线分析了摩擦纳米发电机直接通过一个整流桥为电池/电容器充电的直接充电循环,并在实验上用一个滑动式独立摩擦层模式发电机证实了该循环。


图:用一个滑动式独立摩擦层模式发电机证实了该循环

基于对直接充电循环特征的分析,研究人员提出了一种设计充电循环,通过实现每半周期完全电荷转移的方法来提高充电速率、能量存储效率和饱和电压。

作为一个概念性验证,在原有的纳米发电机上制作了一个由发电机本身的运动控制的开关来实现设计充电循环,从而在实验上证实了该循环对充电性能的提升,包括提高的充电速率、提升至原来两倍的能量存储效率和增加一倍以上的饱和电压。最后,在设计充电循环中工作的自充电能量系统被用于给一个商业计算器持续供电。(实验视频

之前关于纳米发电机的研究仅优化了既有的直接循环本身,而该研究创造性地提出了一个设计充电循环,从而成倍提高了基于纳米发电机自充电能量系统的性能及其优化空间。

该研究中提出的设计充电循环在实验上有效利用了发电机内部本身的运动来调控发电机的状态,这为将来在自充电能量系统中对发电机输出信号的提高、调控、能量管理和存储提供了一个新的实现手段。该研究对于利用环境中的机械能实现高效能量存储以及对小型电子器件有效供电具有重大意义,并将为推动相关领域的发展奠定基础。

该研究工作标志着纳米发电机领域研究方式、思维以及实验方法上的一次重要模式转变,将为实现摩擦纳米发电机及其它类型的纳米发电机的有效能量存储和利用发挥重大作用

文章链接:

Effective energy storage from a triboelectric nanogenerator

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(本文资料来源:中科院北京纳米能源与系统研究所,由e科网编辑整理)

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  • 纳米发电机
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文章评论(1)
梅西[北京工业大学]

王中林院士团队的杰出工作,摩擦纳米发电机真心厉害

1004天前 | 回复
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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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