近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君研究员在混合纳米发电机领域取得新进展，相关研究成果发表在Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.062)。

        资源枯竭引发的能源危机、温室效应导致的全球变暖、化石燃料不完全燃烧造成的空气污染等日益加剧，严重影响了人类的生活质量。与此同时，物联网时代对传感器、便携式以及可穿戴电子产品和无线传输系统的巨大需求，对微纳能源的供应提出了更多的要求。摩擦电纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)自2012年发明以来，现已被广泛用于自驱动传感系统、微纳能源以及机械能采集系统。目前，该领域的探索和研究主要集中在如何提高其能量转换效率、改善器件结构和研发新的摩擦材料。已有的研究表明可以同时收集多种形式能量的混合纳米发电机成为提高能量转换效率最有效的方法。混合结构不但可以充分利用多种能量转换机制发电机的优势，而且还可以提高能量转换效率以及实现完全的自供能系统。因此本团队通过将基于双层压电片的压电纳米发电(Piezoelectric Nanogenerator, PENG) 集成到TENG中，开发出了优异的能量转换效率和稳定性能的压电/摩擦电混合纳米发电机(H-P/TENG)。由于稳定的谐振态、优异的阻抗匹配特性以及均一的相位，在100rpm (5Hz)转速下该系统的开路电压、短路电流、平均输出功率和功率密度分别为210 V、395μA、10.88 mW 和6.04 mW / cm²。并且在宽的运行频带下，输出性能依旧稳定。

文章主要创新点如下：

• · 高性能压电/摩擦电纳米发电机(H-P /TENG)是将一种高效率的基于双层压电片的PENG集成单端固定TENG中以实现性能优越的混合纳米发电机，实现高效稳定的旋转能量的收集；
• · 压电悬臂梁的共振理论首次应用到H-P /TENG的中。该混合纳米发电机在较宽的频带下均具有优异的性能得益于以下几点：1. PENG在低频和高频下始终经历谐振过程。2. 通过选择不同模量的基底消除了PENG与TENG的相位差。3. 实现了两个发电机阻抗的匹配，避免耦合时不必要的能量损失。
• · 通过耦合高效率的能量管理电路，开发出3.6V稳定输出的直流源，该直流源可以直接驱动多种常用的电子器件（射频无线传输系统，温度传感器，计算器等）。

图1 .(a)用于采集旋转机械能装置的结构示意图，插图为定子的放大结构；(b)混合纳米发电机的制造过程，右图是收集旋转机械能装置的数字照片；(c) (d)基于双层压电片PENG的开路电压和短路电流。

图2.(a)混合发电机工作原理示意图,黑色箭头表示旋转方向,亚克力叶片优先与PET片材接触，随后诱导PENG弯曲变形。(I)初始状态无任何驱动力，既不存在压电电势，也不存在摩擦电势。(II)叶片接触PET/Al层， Al电极与PTFE之间的距离减小，TENG中出现电流。(III)转子连续旋转直至PET/Al与PTFE充分接触,诱导电荷被中和。(IV)转子继续旋转，使PENG发生弯曲，从而在PENG中产生d₃₁压电势和输出电流。(V) PENG达到最大变形，出现最大压电电势。(VI)亚克力叶片扫过H-P/TENG的顶端，产生回弹过程，TENG和PENG的回路中同时产生反向电流。(b)同步测量混合装置中单个发电机的输出电压。信号的每一部分都均对应于图2a中的一个运行阶段。

图3.在转速100rpm下， TENG、PENG、H-P /TENG整流电学输出特性。(a) (b)TENG整流的开路电压和短路电流。(c)TENG的输出电流和平均功率与外部负载电阻的关系。(d) (e) 整流PENG的开路电压和短路电流。(f)PENG的输出电流和平均功率与外部负载电阻的关系。(g) (h) H-P /TENG的输出电压和短路电流。(i) H-P /TENG的输出电流/平均功率和外部负载电阻的关系。

图4.(a) (b) TENG、PENG、H-P /TENG在50rpm ~ 250rpm转速下的整流开路电压和短路电流。(c)TENG和PENG在50rpm ~ 250rpm转速下的同步整流开路电压。(d) 不同杨氏模量基底的PENG与TENG的相位差。(e) PENG@PTFE/PET开路电压与振动器驱动频率的关系(在1.2 m²·s^-1的振动加速度下)。(f) 对PENG的能量耗散谱进行速傅立叶变换，得到的振幅与频率的响应曲线。

图5.(a) (b) 100 rpm转速下，H-P /TENG驱动的50个串联和并联LED在的照片。(c) TENG、PENG、H-P /TENG为47μF的电容器充电。(d)输出电压为3.6V的完整直流电源的电路图。(e)测量直流电源输出电压。(f)利用研制的直流电源驱动多功能仪表、计算器、等多种商业化电子产品。(g)从无线射频温度传感器接收到的温度数据。

本课题得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院百人计划、天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室经费支持。