摘要
近年来，能源领域的研究主题集中在环境机械能收集方向，摩擦纳米发电机（TENG）器件能够有效的收集低频机械能而具备巨大潜能。但是，以往研究的TENG在实际应用中仍然有很多关键性的科学技术问题需要解决。本研究从五个方面对TENG器件进行了探索，以突破限制TENG发展的关键技术，具体研究内容如下： 1.基于四种工作模型的TENG结构设计，往往工作模态单一，只能收集特定形式的机械能，这限制了TENG器件的应用范围。为了解决这一问题，本研究分别设计了三种TENG结构，实现了多种工作模态，拓展了TENG多种形式机械能的收集场景，进而提升了TENG器件的对低频机械能的捕获效率； 2.高开路电压、低短路电流、输出功率阻抗匹配问题是目前TENG发展的主要障碍。因此，本研究提出了一种集成机械开关，小型电容，全波整流桥的新型TENG器件（PCVS-TENG），突破了TENG的阻抗匹配限制，PCVS-TENG在低负载电阻（1MΩ）下的相应输出功率可达到7.569mW，是TENG在1MΩ负载下输出功率（52μW）的145.5倍； 3.针对TENG能量捕获效率低等问题，本研究提出了一种基于水气球的多倍频摩擦纳米发电机（WB-TENG）。由于水球的高弹性，WB-TENG可以实现对低频外部机械运动的多倍频响应，以产生高频电学输出。在一个工作周期内的电荷转移总量方面，WB-TENG是普通双平板结构TENG的28倍，其能量转化效率大幅度提升； 4.在新型摩擦电材料开发方面，我们以基于TENG的材料选择与优化策略为主题。首先，设计了基于镍-铜双金属氢氧化物的新型摩擦纳米发电机（NC-TENG）。其次，设计了一种基于食品级硅胶（EGSG）和水晶泥（CM）凝胶的全透明可拉伸摩擦纳米发电机（EC-TENG）用于获取复杂形式机械能和自驱动人体运动传感器。最后，我们提出了一种基于刚柔并济设计思想的RF-TENG器件，并且设计了一种基于RF-TENG，LTC-3588芯片，以及MnSe-SC的能源转化与储存的一体化自充电系统； 5.本研究还拓展了TENG的传感应用，在本研究中，我们提出了一种基于海藻酸金属络合物的新型摩擦电纳米发电机（AMC-TENG），实现了可调控的电学输出功能。本研究还设计了一种双压电层增强的DP-TENG用于收集机械能和自驱动热气流传感器，在火灾预警方面有着潜在应用。
NETL