【Nano Energy】摩擦纳米发电机的频带拓宽和电荷密度增强

振动能在环境中分布最广泛，可以在机械设备、建筑结构、波浪、微风吹动和我们的日常活动中发现。这些振动能量大多具有宽频、随机、偶发振动的特点。静电、电磁和压电三种传统的转换机制可以将环境振动能量转换为有用的电能。然而，传统的振动能量收集器只能在较窄的频率范围内工作，这严重限制了其在随机和宽带振动中的实际应用。多模态和非线性技术可增加振动能量收集器的带宽，但多模态技术会使得收集器的结构变得复杂。相比之下，非线性技术只需要添加止动块即可收集宽带振动能量，这对于宽带能量收集具有重要意义。振动式摩擦纳米发电机的两个摩擦层会不断地进行接触与分离进行能量转换，具备固有的非线性特性，可以有效收集宽频带的振动能量。然而，具有单一止动块的摩擦纳米发电机的带宽有限，并且其产生的表面电荷密度低，这限制了它们在宽带振动能量收集中的高功率输出。因此，通过系统分析和研究振动式摩擦纳米发电机的频带拓宽机制和电荷密度增强方法，对于设计具有高性能的宽频带振动能量收集器具有重要意义。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛团队提出了一种具有两个止动块和电荷泵效应的振动式摩擦纳米发电机，用于频带拓宽和电荷密度增强。并且通过理论分析及实验验证的方式详细地探究了加速度、刚度及碰撞间隙对振动式摩擦纳米发电机频带拓宽的影响规律。在两摩擦层之间的间隙距离为0.5 mm的情况下，具有两个止动器的振动式摩擦纳米发电机与仅有一个止动器的摩擦纳米发电机相比可以将带宽提高75%。并利用其双输出通道，构建了具有电荷泵效应的振动式摩擦纳米发电机，可将表面电荷密度提高了约14倍。在此基础上，其可以在18到38 Hz的宽频范围内持续点亮400个LED并快速为商用电容器充电。这项工作展示了一种提高摩擦纳米发电机带宽及输出性能的方法，对于从机器、汽车、船舶和人体运动中收集宽带振动能量用于自供电电子设备方面也具有广阔的前景。该成果以“Frequency band broadening and charge density enhancement of a vibrational triboelectric nanogenerator with two stoppers”为题发表在Nano Energy上，第一作者为博士生亓有超。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522005055

图1 振动摩擦电纳米发电机（V-TENG）的基本结构及工作过程。

(a) V-TENG的基本结构。

(b) V-TENG的工作过程。