用于液滴機械能收集的摩擦壓電復合納米發電機研究
隨著社會的快速發展，人們對能源的需求越來越高。由于化石能源日益枯竭，開發和利用可再生能源變得愈加緊迫。水能作為最豐富的可再生能源之一，在能源供給上發揮著不可或缺的作用，目前最主要的途徑是建立在河流上的水電站通過電磁發電機將水的勢能轉換為電能。除了含水量巨大的河流之外，水能還包括數量眾多體積微小的水滴。如果能對水滴能充分利用，對可再生能源是一個有力的補充。
2012年研究者首次提出了基于摩擦起電和靜電感應的摩擦納米發電機（TENG）。TENG由于易于制造和材料選擇廣泛在微納能源領域顯示出了巨大的應用前景。TENG不僅可以用于收集固固接觸中的機械能，還可以用于收集液固接觸中的機械能。2014年首次出現了基于液固TENG的水滴發電機，為有效收集水滴能量開辟了新路徑。需要說明的是，這類傳統的水滴發電機的電極全部位于介電層的下方。2020年受晶體管的啟發，人們提出了新式的水滴發電機設計，其在介電層的上方加了頂電極。通過將傳統的界面效應轉化為理想的體效應，新式水滴發電機的信號與傳統的相比有了很大的提升。然而這些水滴發電機并沒有充分收集水滴的機械能，具體來說，它們收集了水滴液固接觸的機械能，但沒有收集基底的變形能。
近日，中科院力學所蘇業旺研究員團隊與中科院北京納米能源與系統研究所楊亞研究員團隊合作，提出了新的設計策略：通過同時收集水滴液固接觸的機械能和基底的變形能來提高水滴發電機的電流（如圖1所示）。根據該策略，制備了水滴復合納米發電機（TPiHNG）。通過實驗對比，選擇了電學響應信號更優的懸臂梁結構作為TPiHNG的結構。利用有限元分析，確定了壓電材料的安裝方向。相對于單獨的TENG，TPiHNG的電流有了明顯的增大（如圖2所示）。通過調整水滴的滴落位置來調控PiENG與TENG的響應時間差（如圖3所示）。研究了不同變量對TENG、PiENG、TPiHNG的電流以及PiENG與TENG的響應時間差的影響。這項工作為更有效地收集水滴能量提供了新的路徑。
該工作近期發表在國際權威期刊Nano Energy （https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107992）。論文第一作者是在讀博士生張懋熠，中科院力學所蘇業旺研究員和中科院北京納米能源與系統研究所楊亞研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院從0到1原始創新計劃和中國科學院交叉學科創新團隊等項目的支持。
圖1 TPiHNG的設計和結構。（a）TPiHNG的設計策略。（b）TPiHNG的結構圖。（c）兩種設計結構。兩種結構下（d）PiENG和（e）TENG的電流對比。
圖2 TPiHNG的電學性能。（a）TENG、（b）PiENG和（c）TPiHNG的電流。（d）TENG、（e）PiENG和（f）TPiHNG的單個電流波形。（g）TENG、（h）PiENG和（i）TPiHNG的電流功率圖。
圖3 PiENG與TENG的響應時間差的影響和水滴撞擊位置對TPiHNG電學性能的影響。（a）PiENG與TENG的響應時間差對TPiHNG電流波形的影響。（b）水滴撞擊位置對（c）TENG、PiENG、TPiHNG的電流和（d）PiENG與TENG的響應時間差的影響。