文章信息
联通结构设计增强封闭阵列式柔性摩擦纳米发电机的输出性能
第一作者：吕莎莎
通讯作者：黄涛*，俞昊*
单位：东华大学
研究背景
TENG作为一种新的清洁能源，可收集人体运动、下雨、风能等多种形式的机械能，并在能量收集和自供电设备方面有着巨大的应用潜力。但是在高湿度、下雨等环境条件下，对于直接暴露在周围环境中的摩擦材料，易在其表面形成水膜而使表面电荷密度快速消散而使输出性能下降。
虽然，已有很多研究者制备了各式的TENG来克服潮湿和阴雨天气的影响，例如采用疏水性摩擦材料和对TENG进行封装。前者虽然可以在一定程度上抑制水汽条件下的输出耗散，但是仍然无法满足TENG在高湿度或者直接在水中使用的需求。
而对基于封闭结构的TENG而言，其结构设计还面临一些问题，通常现有的封闭式器件制作繁琐且结构笨重，且受限的封闭空间使得摩擦材料间的相对位移不够充分，进而导致输出性能相比于开放式TENG明显降低。
文章简介
基于此，来自东华大学的俞昊教授和黄涛博士，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Interconnected array design for enhancing the performance of an enclosed flexible triboelectric nanogenerator”的文章。
该文章设计了一种新颖的柔性封闭TENG阵列，首先它将摩擦功能材料封闭于硅橡胶中，使得其输出性能免受外界环境条件的影响；其次，由于是全封闭结构，当TENG在受到外力时，其内部压强会变大，使得摩擦材料的接触变得困难，因此该文章设计了一个内部通道，将各个摩擦单元相互联通，使得气流能在各个摩擦单元间流通，进而减小了TENG的内部压强，相比于相互独立的封闭TENG而言，其输出性能大幅提升。
文章要点
（1）柔性封闭结构
TENG单元为全封闭的立方体结构，外壳为硅橡胶，它具有柔性、质轻、便携及防水的特性，将电极及摩擦材料全部封闭在硅橡胶内部，有效避免了外部湿度环境对其性能的影响，在相对湿度为 80% 时，单个封闭式 TENG 单元 3500 次循环下，仍有稳定的电压输出。
图1 柔性封闭TENG输出不受外界接触物体和湿度的影响
（2）输出与外部接触物体的电特性无关
在设计的封闭TENG 中，摩擦材料全部在硅橡胶内部，因此该TENG的输出与对其施加外力的接触物体的电特性无关，因此它具有相对稳定的输出电压。将几种电负性差异较大的材料，如尼龙织物、镀铜/镍导电布、手指、纸、PET膜、PI膜、PU海绵、橡胶手套、PP透明胶带等用作接触物体，对单个封闭的 TENG 单元施加相同的压力，不同接触材料产生的平均输出电压在120~140 V左右，表明了摩擦电荷主要是由内部的摩擦材料产生。
（3）联通结构提升封闭TENG阵列的输出性能
当同样重量的砝码压在独立的 TENG 阵列（4个摩擦单元相互独立，未联通）或相互联通的TENG 阵列（4个单元和 9个单元）上时，由于气流能够通过内部通道迅速扩散，使得相互联通的 TENG 阵列的内部压强远远小于独立TENG阵列，进而其弹性形变远大于独立的TENG阵列，摩擦材料能够充分接触，产生更多的摩擦电荷，进而有更高的输出性能。这与有限元分析（COMSOL）的理论模型结果一致。若将其作为压力传感器，联通结构的TENG阵列相比于独立TENG阵列，其灵敏度也得到较大幅度的提高。
（4）应用展示
由于该封闭TENG阵列输出性能受外部环境影响较小，具有较高的稳定性，作者将其用作智能鞋底，不仅可以对不同的人走路进行步态检测，而且可以在任意环境下收集人走路和跑步的能量。此外，该联通型TENG阵列还可用作自供电防水柔性键盘，即使意外将水洒到键盘上时，该键盘仍可正常工作。
图2 联通型与非联通结构TENG阵列的灵敏度比较及应用展示
文章链接
Interconnected array design for enhancing the performance of an enclosed flexible triboelectric nanogenerator
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552100731X
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