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[材料资讯] 王杰:新一代恒流摩擦纳米发电机研究获进展

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发表于 2019-4-9 16:48:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
摩擦起电和静电是一种非常普遍的现象,由于它很难被收集和利用,往往是被人们所忽略的一种能源形式。自从2012年中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林发明摩擦纳米发电机(TENG)以来,全世界的学者从各个方面对TENG进行了广泛的研究。TENG作为一种能源器件得到实际应用的关键在于进一步提高功率密度,其核心在于摩擦电荷密度的提高。摩擦电荷密度作为摩擦纳米发电机的核心性能指标之一,TENG问世七年以来,科研工作者在摩擦材料选择、表面修饰与改性等方面做了大量研究以提高摩擦电荷密度。纳米能源所王杰和王中林团队通过碎片化和柔性接触方法将TENG的摩擦电荷密度从30 μC m-2 提高到近300 μC m-2(Nature communications 2016,7,12744),但是该电荷密度仍然受限于空气击穿,随后在高真空环境中实现了1003 μC m-2的超高电荷密度(Nature communications 2017,8,88)。但通常情况下,摩擦纳米发电机工作在大气压环境下,因此这里大部分电荷密度通过空气击穿释放掉了,如果将这部分空气击穿的能量收集起来,不仅可以提高摩擦纳米发电机的输出性能,而且也是对摩擦纳米发电机的重新认识,对于更好地理解和利用摩擦纳米发电技术具有重要意义。
  传统的摩擦纳米发电机具有两个与生俱来的特点:交流电输出和脉冲特性。因此,通常摩擦纳米发电机不能直接驱动电子器件。传统的做法是外接全波整流桥和能量存储单元才能得到稳定的直流电输出,这不利于构建微型化的自驱动系统。而且,摩擦纳米发电机的脉冲输出具有比较高的损耗因子(定义为电流峰值与其均方根的比值),这在一定程度上影响了它用于能量存储和驱动电子器件的效率。
  4月5日,王杰王中林等人在《科学进展》(Science Advances)上发表了题为A constant current triboelectric nanogenerator arising from electrostatic breakdown 的研究论文,纳米能源所博士生刘迪、尹星和佐治亚理工学院博士后郭恒宇为论文共同第一作者。
  该论文报道了一种基于摩擦起电和介质击穿的新一代摩擦纳米发电机,首次实现了基于摩擦起电和空气击穿的恒流电输出,基本原理类似于人工产生和收集“闪电”的能量。同时,摩擦电荷密度高于大气环境下受限于空气击穿的传统摩擦纳米发电机的电荷密度。这一新颖的直流摩擦纳米发电机已经被证实可以直接驱动电子器件不需要外接整流桥或能量存储单元。研究结果不仅有利于推动用于可穿戴电子和物联网系统的自驱动系统小型化,而且为高效收集机械能提供了新的范例。

恒流摩擦纳米发电机

恒流摩擦纳米发电机
  图:(a)恒流摩擦纳米发电机的工作原理,(b) 该TENG的恒电流输出,(c) 该TENG直接驱动电子手表(无整流和储能单元)。
王杰博士,北京纳米能源与系统研究所研究员,博士生导师。于2000年、2003年和2008年分别获西安交通大学高分子材料与工程和计算机科学与技术双工学士学位、微电子学与固体电子学硕士学位和电子科学与技术博士学位。2010年4月至2012年4月在中国振华电子集团有限公司做博士后研究,2014年7月至2016年10在美国佐治亚理工学院做访问学者。主要从事储能与换能纳米材料与器件的设计、合成、集成,超级电容器,摩擦纳米发电机、自充电能量系统以及在可穿戴电子产品和蓝色能源中的应用。主持国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支撑项目等科研项目10余项。在Nature Communications、Advanced  Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Energy等期刊发表研究论文60余篇。获陕西省优秀博士学位论文奖和全国优秀博士学位论文提名奖。获公开/授权发明专利20余项,申请PCT专利4项,获教育部科技进步奖一等奖和贵州省科技进步二等奖各1项。
王中林院士,中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。现为佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家。已在国际一流刊物上发表了超过1400篇期刊论文(其中40余篇发表在 Science、Nature及子刊上),7本科学专著,超过200 项专利。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。他已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。2015年汤森路透引文桂冠奖获得者,2018年第十一届埃尼“前沿能源奖”获得者,位列Google Scholar(谷歌学术)2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原创性,前瞻性和引领性。他在电子显微学和纳米科学方面有多项国际重要影响力的原创性和开创性研究成果,其中包括反射电子能量损失谱,等离子体激发,电子的非弹性散射理论,透射显微镜中纳米材料的力学和电学性能的原位测量技术,纳米氧化锌的生长和控制,纳米发电机,压电电子学,压电光电子学,纳米传感等。


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