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重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Advanced Materials上发表研究成果

来源 : 物理学院

日期 : 2021-11-09
摘要
近期,重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Advanced Materials上发表了题目为《一种基于自动模式切换和电荷激励的超鲁棒性和高性能的旋转水流动力摩擦纳米发电机》的研究论文。重庆大学为第一单位,重庆大学博士生付绍珂和贺文聪为共同第一作者,重庆大学胡陈果教授和山东大学刘宏教授为共同通讯作者。

近期,重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Advanced Materials上发表了题目为《一种基于自动模式切换和电荷激励的超鲁棒性和高性能的旋转水流动力摩擦纳米发电机》(An Ultrarobust and High-Performance Rotational Hydrodynamic Triboelectric Nanogenerator Enabled by Automatic Mode Switch and Charge Excitation) 的研究论文。重庆大学为第一单位,重庆大学博士生付绍珂和贺文聪为共同第一作者,胡陈果和山东大学刘宏教授为共同通讯作者。

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如图所示:CEMA-TENG的应用、结构示意图及工作原理说明。a) CEMA-TENG的水流能量收集和智能森林监测的应用场景。b) CEMA-TENG的结构示意图,由两部分组成:上部为发电机,下部为水轮,水轮的设计目的是收集从山上流下的水流,为CEMA-TENG的旋转提供动力。c)外激励CEMA-TENG在一个运行周期内的工作原理。

随着大数据和物联网快速发展,数以亿计的传感器网络是其基础与核心。然而,仅仅依靠现有的电池供能模式,存在着可持续性供能和维护难等问题。因此,开发基于环境能量回收的自供能技术,对于物联网传感领域的发展将具有重大意义。摩擦纳米发电机已被证明是一种利用环境机械能实现传感器件自供能的有效途径,具有广阔的应用前景。

在TENG获取周围环境机械能的实际应用中,TENG的电输出性能是我们关注的一个重要问题,其表面电荷密度是决定TENG输出性能的最重要参数。此外,中高频区域的滑动摩擦产生的热量和材料表面的巨大磨损严重降低了TENG的电输出性能。目前,研究者们提出了许多有效提高表面电荷密度和降低机械磨损的方法。然而,同时提高电输出性能和耐久性,在旋转和滑动式TENG中仍然是一个挑战。因此,进一步探索同时提高耐久和电输出性能的优化设计将是非常有意义的。

该工作通过电荷激励的方式有效地提高了TENG的电输出性能,相对于普通的滑动TENG,其电输出性能提升了2.6倍。并且通过离心力驱动层和齿轮系统的巧妙设计,实现了主TENG(M-TENG)工作模式的自动接触-分离和激励TENG(E-TENG)的转速调整,有效地降低了TENG在中高频区的滑动摩擦损耗问题,提升了TENG的工作耐久性。在连续工作72,000次循环后,还能维持94%的电输出性能,而普通的旋转滑动模式TENG的电输出性能衰减到了30%。本工作同时有效地提高了TENG的电输出性能和其耐久性,并通过水轮设计成功将水流的机械能转化为电能为多种商业器件供电,为智能森林环境的自供电监测电源提供了一种理想的方案,拓展了物联网自供电系统在偏远地区的应用。

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202105882

余涛 责任编辑 物理学院