【研究背景】
摩擦纳米发电机（TENG）作为一种有前景且有效的将环境机械能转化为电能的技术，为物联网（IoT）的实现提供了一种新途径。众所周知，在TENG的四种基本工作模式中，独立层模式通常可实现最高的能量转换效率，且其输出功率可以通过增加栅格的数目来进一步提高。
但大量增加栅格数量无疑会导致其中心角非常小，在这种情况下，使用具有优良性能的合成聚合物或天然材料制造的小栅格独立层将相当具有挑战性，严重限制了可用材料的选择，而目前文献中，使用金属材料制作的小栅格，由于带电性较差，也严重限制了输出功率的提高。
此外，TENG 在实际应用中的一个显著限制是生成的瞬时脉冲信号具有较大的波峰因数（峰值与均方根 (RMS)/有效值的比值，即Imax / IRMS），可能甚至比 6还要大。这种具有高波峰因数的 TENG 不仅不能直接为小型电子设备供电，而且也不利于为电池/超级电容器充电，因为具有很大的能量损失和较低的能量存储效率。因此，需要开发稳定的直流发电系统，以克服实际应用的局限性，并像我们在没有电源管理系统的一般情况下那样对电池进行充电。
在以前的研究中，相位耦合、静电击穿和滑动半导体摩擦接触，是目前产生直流的主要方式。然而，为了确保基于静电击穿的TENG的稳定输出，在电荷收集电极和摩擦材料之间形成和保持稳定的微小间隙至关重要，这对制造工艺有很高的要求。而对于通过滑动肖特基纳米接触技术实现的连续直流输出，其输出电压太低 (~ 8 mV) 无法直接为电子设备供电。因此，有许多工作致力于通过相位耦合实现具有低波峰因数恒定DC，以克服实际应用的局限性。
【文章简介】
基于此，北京纳米能源与系统研究所研究团队通过电极错位 (EM) 和电路划分并连接的简单易行的方法，开发了一种具有高平均输出功率的极其稳定的直流 (DC) 多相 TENG (MP-TENG)。
与传统的单相TENG相比，通过并联相位差的TENG单元整流叠加得到的MP-TENG可实现1.05的超低波峰因数和40.1%的平均功率提升。此外，当使用不同于电极尺寸的转子网格和EM方法时，应用日常生活中常见的木材和布织物等材料即可产生波峰因数小于1.1的类直流输出，这大大扩展了TENG材料的选择范围。
由于 MP-TENG 优异的直流性能，1000个LED 和54个灯泡可以轻松点亮，没有任何闪烁，可以连续驱动商业电子产品稳定工作。这项工作为实现高输出恒定直流提供了一种范式转变，在能量收集领域具有广泛的应用前景。
该成果以“Rationally Segmented Triboelectric Nanogenerator with Constant Direct-Current Output and Low Crest Factor”为题近日发表在顶级期刊《Energy & Environmental Science》上，原文链接为：https://doi.org/10.1039/D1EE01382C。
【图文简介】
图1、MP-TENG 的架构和机制。(a) 4组4相旋转MP-TENG的层次结构示意图。(b) 4P-TENG 的一般工作原理。(c) 转子材料来源于自然界，原料来源广泛。（ d ）通过模拟获得的每相的归一化摩擦电势差。
图2、相数对滑动式MP-TENG在 3 Hz 频率下输出性能的影响。(a) 1P-TENG和(b) 4P-TENG的结构单元示意图。(c) 4G1P-TENG 的输出电流和 (d) 转移电荷。(e) 4G4P-TENG 各相的输出电流和 (f) 转移电荷。(g) 具有不同相数的 4G-TENG 的转移电荷。(h) 4G-TENG 相对于相数的整流电流。(i) 不同相数 TENG 的累积电荷量。
图 3、 以兔毛为转子材料的旋转 MP-TENG 在 0.05 N·m 扭矩下的输出性能。(a) 同时测量下4G4P-TENG各相的转移电荷。(b) 4G4P-TENG各相输出电流及整流叠加输出。(c) 300 rpm转速下不同相数的4G-TENG各相输出整流叠加后的输出电流。(d) 不同相数 MP-TENG 整流叠加电流的波峰因数。插图显示了 4G6P-TENG 的输出电流。(e) 不同相数每秒累积电荷量和整流电流的 RMS 值。(f) 具有不同相数的 MP-TENG 的平均功率-电阻关系。(g) 与其他人报告的相比，这项工作的波峰因数。(h) 4P-TENG在300 rpm时与不同组的整流叠加电流的比较。(i-j) 多相和单相 TENG 的直流输出特性比较，其中 (i) 1000 个 LED 和 (j) 54 个 LED 灯泡可以通过 4G4P-TENG 轻松点亮，没有任何闪烁。(k) 由 4G4P-TENG 以 30 rpm 直接驱动的电子仪表的照片。(l) 由 MP-TENG 驱动以 150 rpm 稳定工作的商用计算器的照片。
图4、电极错位 MP-TENG 的机理和输出性能。(a) 设计有不同错位程度的电极错位 MP-TENG 的示意图。(b-c) 2G4P-TENG (b) 没有电极未对准和 (c) 在同时测量下有 1/3 电极未对准的每相输出电流。(d-e) 不同电极错位度对 (d) 整流叠加电流和 (e) 波峰因数的影响。图 e 的插图显示了具有 1/3 电极错位的 TENG 输出电流的放大视图。(f) 具有不同电极错位度的 MP-TENG 相对于负载电阻的平均输出功率。(g) 由多种常见材料（木材、尼龙织物、打印纸、聚酯织物、兔毛等）错位后制成的 EMMP-TENG 的输出电流。(h) 不同材料的 EMMP-TENG 输出电流的波峰因数。
图5、EMMP-TENG 用于收集旋转机械能的应用。(a) 将 EMMP-TENG 应用于智慧绿色出行的概念。(b) 普通自行车的数码照片，其旋转部分装有 EMMP-TENG（两套 2G4P 单元）和一个便于演示的自行车计算机。还显示了 (i) 转子部分和 (ii) 定子部分的照片（比例尺：3 厘米）。(c) EMMP-TENG 在骑行速度下对各种电容器的充电曲线。(d) 680 μF 电容器为有线自行车计算机供电的充放电过程，只要继续骑行，它就可以继续稳定工作。插图显示了有线自行车计算机在工作状态下的照片。(e) EMMP-TENG 为信号发射器充电的 470 μF 电容器上的电压分布，信号发射器可以测量转速并将其实时无线传输到自行车计算机。
【结论】
本文仅通过简单的电极划分和电路连接方法构建了MP-TENG，它具有波峰因数低、材料选择范围广以及直流输出稳定等优点。其转子网格不必与电极尺寸匹配，大大简化了TENG的制造过程，扩大了材料的选择范围。
此外，通过并联相位差的TENG整流和叠加，实现了几乎恒定的直流输出，具有1.05的超低波峰因数和40.1%的平均功率增加。这些特性使 EMMP/MP-TENG 的设计成为普遍适用的设计，且可轻松点亮 1000 个 LED 和 54 个灯泡，而不会出现任何闪烁。
而商用电子产品，如可穿戴电子产品等，也可以被持续驱动工作。这项工作为高输出直流电提供了一种新的有效策略，显示出广泛的应用前景。
原文刊载于【科学材料站】公众号
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