中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组首次成功实现了一种基于高性能摩擦纳米发电机单元的自组装波浪能收集网络,实现了发电机网络性能的重要突破。在单元设计上,研究团队设计了一种3D电极结构,采用大量的FEP小球颗粒作为摩擦材料填入到3D电极中,在水波的驱动下基于自由摩擦层模式发电机原理,将机械能转化为电能,这种结构极大改善了摩擦面积并且增强了静电感应效应,同时也具有很好的低频响应特性。对于封装直径8cm的单个球形TENG,其输出的转移电荷量可达520nC以上,规则激励下的峰值功率可达8.75mW,平均功率可达2.33mW,水波驱动下的平均功率达到0.55mW,其相应的规则激励下的峰值功率密度为32.6W/m3,平均功率密度为8.69W/m3,水波中的平均功率密度为2.05W/m3,达到壳球结构TENG的平均功率的18倍以上,刷新了球形TENG波浪能收集器件的平均功率记录。构建了一个包括18个TENG单元的示范网络,可以有效收集水波能,实现了9.89mW的平均功率,可用于自驱动传感和无线信号传输。
在网络连接方面,设计了一种自适应磁性节点(Self-adaptive magnetic joint, SAM-joint)以实现自组装,该磁性连接节点基于一种可旋转的嵌套磁球结构,实现了磁球的接近-磁极自动旋转配对-吸附的过程,解决了固定磁极吸附存在的吸附错位及磁极不配对等难题,实现了高度可靠的单元组装。为了在保持网络构型的同时实现能量收集,在吸附节点上引入了限位块设计,实现了各向异性的运动自由度约束,使得连接节点在水平面内的运动受到约束,可以保持网络构型,而在竖直平面内可以相对转动,进行波浪能收集。通过对球形TENG单元配置不同的磁性节点数量和位置等几何信息,可以实现不同的自组装网络结构,例如线形结构、空心六边形网格、四边形网格、密排六边形网格等结构形式。通过实验也验证了该网络自我修复破坏以及可重构的能力,因而实现了自组装、自修复、可重构的摩擦纳米发电机网络。这些特征极大地增强了摩擦纳米发电机网络的自治能力和结构可靠性,便于大规模网络的构造和维护,将有可能成为摩擦纳米发电机网络实现实际应用的一个重要基础技术。该方法还将有可能应用于其他大型海洋结构的建造。相关成果以“Macroscopic Self-Assembly Network of Encapsulated High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Water Wave Energy Harvesting”为题发表在Nano Energy上。
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