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

近日，重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队和中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队合作研究论文“Switched-capacitor-convertors  d on fractal design for output power management of triboelectric nanogenerator” （基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案）以重庆大学为第一单位和通讯单位在Nature 子刊Nature Communications 上发表。重庆大学博士生刘文林、王曌和王高为共同第一作者，重庆大学胡陈果教授、郭恒宇教授和北京纳米能源与系统研究所王中林院士为共同通讯作者。

摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator , TENG)，作为一种高效地收集低频环境机械能量的新技术，已经被证明在有关生物科学、化学、智能设备等的自供能传感系统和人类运动、海洋能、风能等机械能量收集方面拥有巨大的潜力，是实现物联网中分散式传感器能量供给的重要途经。基于摩擦起电和静电感应，TENG能轻易的产生几千伏的高电压。然而，其低的电荷和电流输出导致了非常低的的能量利用效率。因此，实现TENG高的能量利用效率、高效的电源管理系统是迫切需要的。在以前的研究中，像变压器、机械和电子开关等方法被用于改善TENG的能量利用，达到了85%的能量利用效率，然而这些方法在有效提高能量利用效率的同时往往具有局限性，限制了其实际应用。随着能量收集技术的快速发展，传统电磁变压器渐渐难以满足各种能量转化的需求。同时随着可集成化和高频化的发展趋势，具有质量轻、无磁和高转化效率的开关电容换能器(Switched capacitor convertor, SCC)在无线传感网络、直流微电网等方面展现了巨大的潜力。

结合开关电容技术、TENG和分形理论，该论文提出了一种基于分形设计的开关电容换能器 (FSCC)，它具有转换效率高、最小化的输出阻抗和静电电压适用性强等特点。作为摩擦纳米发电机的双功能输出电源管理系统，它在脉冲模式下可提供超过67倍的电荷提升和954w m-2的功率密度，在恒流模式下可获得超过94%的总能量传输效率。双功能输出电源管理系统的建立，对TENG电源管理向多功能输出方向发展具有重要的指导意义。在摩擦电纳米发电机上的成功应用也表明了基于分形设计的开关电容变换器在电动汽车、直流微电网等领域的巨大潜力。

文章链接：(Nat. Commun. 11, 1883 (2020); https://doi.org/10.1038/s41467-020-15373-y)。

该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。

图1，分形结构开关电容换能器及其TENG电源管理系统。a,传统变压器、基本2单元的SCC单元和8单元的FSCC的对比；b, 96单元的FSCC实物图；c, 基于FSCC的TENG电源管理电路图；d, 恒流模式下FSCC电源管理电路和标准电路的平均输出功率。