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【Advanced Energy Materials】多合一環境電源
發表日期: 2020-08-20 文章來源:
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  隨著物聯網時代的到來,環境中廣泛分布的傳感器等電子器件對于電能的供應方式提出了新的要求。電池雖然可以滿足一些場景下的應用,然而其對于充電或更換的需求造成了額外的維護成本和管理困難,尤其是在野外和密閉空間等特殊應用場合。因此,原位收集環境能量并實現電能供給的自驅動技術成為當前一個重要的發展方向。摩擦納米發電機技術可以有效收集環境中的低頻機械能,近年來得到迅速的發展。環境中的能量,如風能、太陽能和雨滴的能量往往具有不穩定的特性,分布在特定時間或特定區域。另外,惡劣的野外環境條件也對器件的正常運行造成很大的影響。因此,發展一種具有廣泛適應性且能夠穩定提供電能供給的器件具有重要的意義。 

  北京納米能源與系統研究所和華中科技大學等單位合作對此進行了研究,提出了環境電源(Environmental power source)的概念,與化學電源相對應,環境電源基于周圍環境提供電能,且對于復雜環境具有良好的適應性及環境友好特性,能高度融入周圍環境,實現電子設備的免維護布署。研究團隊基于一種新穎的球形摩擦納米發電機實現了高性能的多合一環境電源。相關結果以“Hybrid AllinOne Power Source Based on HighPerformance Spherical Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Environmental Energy”為題發表在近期的Advanced Energy Materials上(文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001669)。 

  文章基于摩擦納米發電機提出了一種可廣泛適應環境并收集多種環境能量的多合一環境電源。通過合理的結構設計,該器件將高性能球形摩擦納米發電機與太陽能電池集成,使其能夠從風、雨滴和陽光中獲取能量。帶有環形邊沿結構的球形摩擦納米發電機可以有效地從風和雨等流體中收集能量。4個球形摩擦納米發電機在風中可獲得幾乎連續的直流電流輸出和5.63mW的高平均功率,并可點亮1160LED燈。此外,器件的良好封裝能保證其在惡劣環境下穩定工作。通過與太陽能電池互補,器件能夠一體化收集風能、雨能和太陽能等常見環境能量,通過多能互補實現全天候可靠的電能供應,適應多種復雜的環境條件,支持環境中的電子設備工作。文中還實現了在土壤濕度檢測(智能農場)、森林防火、管道傳感等場景的應用,展示了其在物聯網時代各種分布式自驅動環境設備中的巨大應用潛力。 

  該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會、北京市科學技術委員會等項目資助。 

1 多合一環境電源的概念、結構和工作原理圖。(a)環境電源工作的概念圖。(b)器件的結構圖。(c)單個摩擦納米發電機單元的工作原理圖。

2 多合一環境電源的性能及應用場景。(a)風力驅動下點亮1160LED燈。(b)風力驅動下四個球形摩擦納米發電機的短路電流。(c7.6m/s風速下器件的輸出功率。(d)基于多合一環境電源的自驅動土壤濕度監測系統。(e)自驅動土壤濕度監測過程中儲能電容的充放電過程。(f)基于多合一環境電源的森林防火監測系統。(g)基于多合一環境電源的管道溫度監測系統。(h)多合一環境電源的應用展望。

 

 

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