薩里大學Energy Environ Sci.：框架的摩擦電納米發電機

【引言】

由王中林等率先開發的摩擦電納米發生器（TENGs）是基於摩擦電效應的快速擴展的機械能量收集機，其中兩種材料的簡單過程相互摩擦產生靜電荷，可用於能量清除摩擦電效應的發生歸因於電子，離子和材料轉移。TENG已被廣泛應用於人體運動中的能量產生，風，波，機振等環境運動。此外，TENG已被用作觸覺感測，壓力，應變，動感應，生物醫學和化學感應應用中的自供電感測器。儘管功率輸出和應用的飛速發展，基於古典電動力學第一原理的確定模型並不存在，並且在某種程度上阻礙了更有效的TENG的發展。已經出版了一些理論解釋預測不同模式的TENG的輸出行為。然而，模型中的許多都是基於平面電路元件，不能擴展到描述更複雜系統的行為或優化非平面化合物的設計幾何通常在實際應用中發現。

【成果簡介】

近日，英格蘭薩里大學S. R. P. Silva（通訊作者）課題組Energy Environ Sci. 發表「Triboelectric nanogenerators: providing a fundamental framework 」的文章。該研究團隊提出基於麥克斯韋方程的接觸模式TENG的理論框架。對短路電流（ISC），開路電壓（VOC）和輸出電荷進行建模，然後對該模型進行擴展，以預測不同負載電阻器的功率輸出。模擬結果通過簡單的TENG結構進行實驗驗證，並與以前發布的接觸模式TENG模型進行了比較。與以前發布的模型相比，結果顯示實驗趨勢與新模型預測的相關性更好

【圖文導讀】

圖1 TENG電路元件模型基於平行電容器模型

（a）垂直於無限大充電片的電場分布；

（b）由兩個相對充電的無限大層產生的整個電場；

（c）導出源自兩個相對帶電錶面的整個電場的表達式；

（d）典型接觸模式TENG的結構和電荷分布。

圖2 簡單的TENG結構

（a）TENG設備架構；

（b）峰值ISC；

（c）f=1Hz時增加H的輸出電荷；

（d）峰值ISC；

（e）H=1mm時增加的f的輸出電荷；

（f）增加TENG層分離的VOC。

圖3 電極上產生的輸出電荷，相應的電流及相關模擬結果

（a）10Ω的負載電阻下，使用距離相關模型，對於在電極上產生的輸出電荷和相應的電流；

（b）1kΩ，（c）1MΩ，（d）1GΩ和（e）100GΩ下，TENG的每單位面積的模擬結果

圖4 模型預測的TENG功率

（a）距離相關模型預測的TENG功率輸出對不同負載電阻器的3工作區域行為（f=1Hz，H=1mm）及不同電阻下實驗和預測峰值功率輸出的比較；

（b）f=1Hz，

（c）f=2Hz，其中H=1mm。

圖5實驗VOC與距離依賴模型（σT=40.7）和先前發表的模型（σT=27.6）的預測的比較

圖6 TENG輸出對不同表面積（L×W）的變化

（a）峰值短路電流（ISC）在增加f（H=1mm）下變化的距離相關模型的模擬結果；

（b）增加TENG層分離時VOC的絕對值；

（c）TENG峰值功率輸出在不同負載條件下（H=1mm，f=1Hz）；

（d-f）比較實驗測量TENG輸出。

圖7 TENG輸出與PDMS層不同厚度的變化

（a）在增加f（H=1Hz）時短路峰值電流變化的距離相關模型的模擬結果；

（b）TENG層不同分離時VOC的絕對值；

（c）峰值功率輸出 的TENG在不同的載荷條件下（H=1mm，f=1Hz）；

（d-f）比較實驗測量TENG輸出。

圖8 對於平面和非平面TENG設備，使用距離依賴模型和相應的實驗輸出的預測輸出

（a）增加幅度（f = 1Hz）條件下的ISC；

（b）增加頻率（H = 1mm）條件下的ISC；

（c）增加電阻（H =1mm，f=1Hz）時的峰值功率輸出；

【小結】

基於麥克斯韋方程，開發了描述接觸模式TENG的電流，電壓，充電特性和功率輸出的理論模型。超越了傳統的基於電路元件的解釋，引入了距離相關的電場概念，以獲得更通用的模型，從而更好地了解了這些器件的工作原理。與常規說明不同，距離依賴模型解釋了電場傳播和疊加，電介質TENG層的極化及其對電極的影響，產生器件中的電壓的電位積分和在不同的運動曲線下影響電流和電荷的器件電極使用一系列實驗，廣泛驗證了模型中導出的數學表達式的準確性。實驗的運動參數變化以代表廣泛的實際情況。研究不同TENG設計參數對輸出的意義。結果表明，與以前的模型相比，通過距離依賴模型更準確地預測出輸出趨勢。

在VOC預測中，兩種模型的預測之間的差異最為突出，其中距離依賴模型預測閾值分離後的電壓飽和度，與實驗趨勢一致。此外，距離依賴模型可用於模擬各種各樣的TENG層分離和其他運動參數，而前一模型具有有限的能力，如通過實驗結果所反映的。此外，開發的模型可以預測功率輸出的趨勢和幅度，表明其在不同的未來應用中對於TENG設備的設計和優化的潛力。

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