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基于多孔中空振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)性能研究

2022-07-17 17:30羅元政葉志誠(chéng)莫良浩王鳳鑫
電子元件與材料 2022年6期
關(guān)鍵詞:實(shí)心振子開(kāi)路

羅元政,葉志誠(chéng),莫良浩,王鳳鑫,廖 帥

(廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,廣東 湛江 524088)

近年來(lái),全球能源危機(jī)愈演愈烈,在綠色環(huán)??沙掷m(xù)發(fā)展的理念推動(dòng)下,海洋能源成為一種有望大規(guī)模應(yīng)用的可再生能源[1]。目前海洋能源的收集主要以太陽(yáng)能和風(fēng)能為主,但均受限于環(huán)境和晝夜不能連續(xù)收集能量等問(wèn)題[2],無(wú)法對(duì)海洋中蘊(yùn)涵的豐富能量起到良好的收集效果。因此,如何合理地利用海洋所蘊(yùn)涵的豐富能量成為一大挑戰(zhàn)[3]。自2012 年中科院王中林團(tuán)隊(duì)首次提出摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的概念以來(lái)[4],TENG 開(kāi)辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的新領(lǐng)域。借助TENG 小型化、高效、全天候的中低頻能源轉(zhuǎn)化優(yōu)點(diǎn),有望實(shí)現(xiàn)海洋能高效收集。

在諸多具有不同多工作方式和結(jié)構(gòu)的TENG 中,滾動(dòng)式TENG 由于其優(yōu)異的密封性和穩(wěn)定性引起研究者廣泛關(guān)注。如Rui 等[5]提出了一種滾動(dòng)式的滾筒形摩擦納米發(fā)電機(jī)用于海洋中的波浪能收集,其中FEP薄膜作為摩擦層可以有效增大該接觸-滑動(dòng)摩擦式摩擦納米發(fā)電機(jī)的電能輸出。Zhao 等[6]提出了一種不倒翁形的滾動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)波浪能的收集,在低頻水波驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了高頻輸出,進(jìn)而大幅度提高了水波能的收集效率。在諸多滾動(dòng)式TENG 中,中科院王中林團(tuán)隊(duì)提出的球形結(jié)構(gòu)由于其密封性好、密度低以及能更好地應(yīng)對(duì)低頻隨機(jī)能源的特點(diǎn),具有實(shí)用化陣列化的應(yīng)用前景。球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理主要是“接觸分離[7-9]+滑動(dòng)摩擦[10]”雙模式,殼與內(nèi)部振子之間的滾動(dòng)、滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)均能有效地積累摩擦電荷。其內(nèi)部球形振子作為能量收集器的核心部件,往往需要具有輕量化、高機(jī)械強(qiáng)度、高表面粗糙度和低成本等特性,因此研究者一般通過(guò)旋涂去離子水[11]、快速熱固化[12]、摻雜石墨烯[13]等方式提高摩擦材料的表面粗糙度,但這些方法普遍存在制作工藝復(fù)雜、成本較高的問(wèn)題,有一定的局限性。中科院王中林團(tuán)隊(duì)提出以砂糖顆粒為振子,快速、低成本制備球形TENG 的新策略[14]。

為了實(shí)現(xiàn)低成本、高表面粗糙度、輕量化的球形振子制備,本文以金屬空心薄球殼為中空骨架,在骨架外表面固化PDMS/糖混合硅膠,通過(guò)浸泡加熱去除作為模板的砂糖顆粒,整個(gè)制備流程產(chǎn)生的副產(chǎn)品僅僅是可循環(huán)利用的糖水,實(shí)現(xiàn)了綠色無(wú)污染的糖模板工藝。結(jié)合簡(jiǎn)易的商用材料制備了多孔中空球形振子,并作為振子組裝了球形摩擦納米發(fā)電機(jī),通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真研究了多孔中空結(jié)構(gòu)對(duì)球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能的影響。

1 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與制備工藝

1.1 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1(a)所示,其由直徑8 cm 的球形亞克力外殼、直徑4.1 cm 的球形振子、貼附在亞克力外殼表面的鋁箔背電極和貼附在背電極表面的聚酰亞胺薄膜組成。球形摩擦納米發(fā)電機(jī)中的球形振子可由實(shí)心PDMS 球形振子、全泡沫PDMS 球形振子、多孔中空球形振子三種不同結(jié)構(gòu)的球形振子組成。如圖1(b)所示,全泡沫PDMS 球形振子和多孔中空球形振子表面覆蓋著邊長(zhǎng)約為1.54 mm的多邊形孔隙,其中多孔中空球形振子由一個(gè)直徑為31.68 mm 的空心金屬球和覆蓋在空心金屬球表面的厚度為9.32 mm 的PDMS 薄膜組成。球形摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)物圖如圖1(c)所示。

圖1 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vibrating triboelectric nanogenerator

1.2 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備流程

(1)實(shí)心PDMS 球形振子的制備流程

首先將道康寧公司Sylgard 系列184 型硅膠液體基料和固化劑以10 ∶1 的質(zhì)量比均勻混合成PDMS 前驅(qū)體,并注入球形模具。然后將注滿(mǎn)混合液的模具放入80 ℃加熱處理120 min,將固化后的PDMS 球形硅膠脫模,便可得到一個(gè)實(shí)心PDMS 球形振子。并最終利用透明的亞克力球殼、Kapton 薄膜和鋁電極組裝球形TENG,如圖2(a)所示。

(2)全泡沫PDMS 球形振子的制備流程

首先將烘干糖顆粒倒入球形模具,并將上述PDMS 前驅(qū)體注入該模具內(nèi)。隨后將模具放入真空干燥箱,在真空狀態(tài)下80 ℃加熱120 min 固化,該步驟有利于PDMS 混合液充分滲透糖顆粒的間隙。然后將模具水浴融化去除糖模板,得到全泡沫球形振子,并組裝球形TENG。如圖2(b)所示。

(3)多孔中空球形振子的制備流程

在上述工藝基礎(chǔ)上,先在球形模具中填充適量的砂糖顆粒,然后將空心金屬置于模具內(nèi),并多次倒入PDMS 前驅(qū)液,直到充分滲入模具底部。此過(guò)程需要反復(fù)輕微擠壓球形模具表面加速糖顆粒與PDMS 混合液的混合。隨后重復(fù)上述的真空固化和水浴去除糖模板的步驟,脫模干燥后得到具有彈性的多孔中空振子,并最終組裝球形TENG,如圖2(c)所示。

圖2 球形振子的制作流程Fig.2 The process of making oscillator spheres

2 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理

球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理如圖3(a)所示,在球形摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)部,當(dāng)其受到外力影響時(shí),電負(fù)性不同的兩種材料即PDMS 球形振子和聚酰亞胺薄膜會(huì)因受到外力而產(chǎn)生相互摩擦,從而導(dǎo)致兩種材料的接觸面帶有等量異種電荷。當(dāng)電荷積累到一定程度,如圖3(b),PDMS 球形振子遠(yuǎn)離背電極1 轉(zhuǎn)向背電極2 時(shí),原先的背電極1 便會(huì)因?yàn)镻DMS 球形振子與聚酰亞胺薄膜表面的分離而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因兩個(gè)背電極通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連向地面,故在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響下,導(dǎo)線(xiàn)中的電子便會(huì)定向流向地面以達(dá)到平衡電勢(shì)差的作用,故在導(dǎo)線(xiàn)中會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)電流。如圖3(c),當(dāng)球形振子到達(dá)背電極2 時(shí),PDMS 球形振子便會(huì)再與背電極2 表面貼附的聚酰亞胺薄膜發(fā)生摩擦,產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移。如圖3(d),當(dāng)PDMS 球形振子由背電極2 運(yùn)動(dòng)到背電極1 時(shí),電路中便會(huì)產(chǎn)生與原先相反的傳導(dǎo)電流。

圖3 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理Fig.3 Power generation principle of vibrating triboelectric nanogenerator

在之前的報(bào)道中,王中林院士通過(guò)對(duì)麥克斯韋方程組的推導(dǎo),提出了兩個(gè)電極之間的相對(duì)壓降公式為[15]:

式中:ε1和ε2為兩個(gè)介電層的介電常數(shù);d1和d2為兩個(gè)介電層的厚度;σI(z,t) 為自由電子在電極中的積累;z[σI(z,t)-σc] 為兩個(gè)電介質(zhì)之間的間隙距離;z[σI(z,t)-σc]/ε0為間隙中的電場(chǎng)函數(shù)。本文所提出的多孔中空球形振子通過(guò)增加球形振子與聚酰亞胺薄膜之前的壓力和泡沫狀多孔結(jié)構(gòu)的易變形特性,使得球形振子與聚酰亞胺薄膜的接觸面積增加,從而使多孔中空球形振子所帶有的電荷量增加。

式中:k為常數(shù);Q為電荷量;r為到此電荷的距離。由公式(2)和公式(3)可知,當(dāng)將球形振子類(lèi)比為一個(gè)點(diǎn)電荷時(shí),其表面帶的電荷量增大,其產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨之增大。再由公式(1)和公式(2)得,當(dāng)其電場(chǎng)強(qiáng)度Ez增大時(shí),其兩背電極間的相對(duì)壓降也會(huì)隨之增加。所以基于中空結(jié)構(gòu)的接觸分離球形振子的兩個(gè)背電極的電勢(shì)壓降更大。

2.2 Comsol 仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)模擬單個(gè)球形摩擦納米發(fā)電機(jī)空間內(nèi)的電勢(shì)時(shí),假設(shè)球殼位置固定,摩擦納米發(fā)電機(jī)電極的開(kāi)路電壓隨著移動(dòng)的球形振子決定,其中對(duì)球形振子的設(shè)置如下:球形振子直徑為25 mm,亞克力小球球殼直徑為80 mm、殼厚為0.4 mm,鋁箔電極數(shù)目為2。

為了研究球形振子的起電效果,本文采用了基于參數(shù)化掃描的準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)仿真方法,即將已知的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行離散,并通過(guò)對(duì)各個(gè)位置進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)仿真,實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻的靜電場(chǎng)模擬。該方法計(jì)算效率較高,能處理已知運(yùn)動(dòng)路徑的問(wèn)題,以便進(jìn)一步模擬隨機(jī)波浪激勵(lì)下球形振子的動(dòng)態(tài)發(fā)電性能。

(1)實(shí)心PDMS 球形振子仿真實(shí)驗(yàn)

圖4(a)為實(shí)心PDMS 球形振子的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖4(b)為以實(shí)心PDMS 球形振子為振子的摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩電極間的開(kāi)路電壓。在球殼內(nèi)部放入PDMS 小球作為自由摩擦體。PDMS 小球和鋁片經(jīng)過(guò)充分地接觸后,球形振子表面將攜帶負(fù)的摩擦電荷,而鋁片表面攜帶正的摩擦電荷。當(dāng)小球在球殼內(nèi)的內(nèi)壁滾動(dòng)時(shí),都會(huì)引起空間電勢(shì)的不斷變化,不同的鋁片之間將產(chǎn)生電勢(shì)差,從而使連接不同鋁片的導(dǎo)線(xiàn)中產(chǎn)生交流電信號(hào),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

(2)多孔球形振子仿真實(shí)驗(yàn)

圖4(c)為多孔球形振子的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖4(d)為以多孔球形振子為振子的摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩電極間的開(kāi)路電壓。在其他條件不變的情況下,將實(shí)心PDMS 球形振子替換成多孔球形振子,對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試,球形振子緊貼電極滾動(dòng)左右來(lái)回一周期,多孔球形振子與電極摩擦產(chǎn)生的電勢(shì)差較之實(shí)心PDMS 球形振子提升了132.26%。模擬球形振子運(yùn)動(dòng)時(shí)可觀(guān)察到,多孔球形振子表面較之實(shí)心PDMS 球形振子會(huì)產(chǎn)生更多的電荷,從而導(dǎo)致兩鋁電極產(chǎn)生的開(kāi)路電壓的提升。

圖4 Comsol 仿真不同振子的運(yùn)動(dòng)軌跡及開(kāi)路電壓圖Fig.4 Comsol simulation of motion trajectory and open circuit voltage diagram of different oscillators

2.3 不同球形振子的輸出性能實(shí)驗(yàn)

(1)不同結(jié)構(gòu)球形振子的短路電流研究

圖5(a)為以實(shí)心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流波形,其電流可達(dá)-0.32 μA。圖5(c)為以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流波形,其最大短路電流波形可達(dá)13.36 μA。圖5(e) 為以鐵芯多孔球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流波形,其最大短路電流波形可達(dá)12.42 μA,如表1 所示。通過(guò)三組數(shù)據(jù)可知,全泡沫PDMS 球形振子較實(shí)心PDMS 球形振子短路電流提升417.5%,鐵芯多孔球形振子短路電流較實(shí)心PDMS 球形振子短路電流提升388.125%。由此可見(jiàn)通過(guò)融糖法提升摩擦材料表面的粗糙度對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流呈現(xiàn)積極作用。其中通過(guò)圖5(c)與圖5(e)波形對(duì)比可得,以鐵芯多孔球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)較以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī),其發(fā)電性能更加穩(wěn)定,且能持續(xù)輸出最大10 μA,最小-7.5 μA 的短路電流。

圖5 采用不同結(jié)構(gòu)球形振子時(shí)的短路電流及電荷量波形圖Fig.5 Short-circuit current and charge waveform of spheres with different structures of oscillators

表1 不同球形振子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of different oscillator spheres

(2)不同結(jié)構(gòu)球形振子的電荷量研究

圖5(b)為以實(shí)心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷量波形。圖5(d)為以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷量波形。圖5(f)為以鐵芯多孔球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷量波形。如表1 所示,實(shí)心PDMS 球形振子的電荷量約為0.3 nC,全泡沫PDMS球形振子電荷量約為15 nC,鐵芯多孔球形振子的電荷量約為35 nC,鐵芯多孔小球和泡沫多孔小球較實(shí)心小球電荷量分別提升500%和1166.67%。由此可知,鐵芯多孔球形振子所帶有的電荷量?jī)?yōu)于全泡沫PDMS球形振子和實(shí)心PDMS 球形振子。

(3)實(shí)心PDMS 球形振子與全泡沫PDMS 球形振子的開(kāi)路電壓研究

圖6(a)為以實(shí)心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓波形,由表1 可知,以實(shí)心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī),其電壓呈現(xiàn)脈沖狀,開(kāi)路電壓最大時(shí)其鋁箔背電極1 的電壓值為49.4 V,鋁箔背電極2 的電壓值為-12.8 V,其開(kāi)路電壓為62.2 V。圖7(a)為以實(shí)心PDMS 球形振子為振子所制作的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的LED 驅(qū)動(dòng)情況,最大可使11 盞LED 同時(shí)亮起。圖6(b)為以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓波形,由表1 可知,當(dāng)其開(kāi)路電壓最大時(shí),其背電極1 的電壓值為50 V,背電極2 的電壓值為-20.2 V,開(kāi)路電壓最大值為70.2 V。圖7(b)為以全泡沫PDMS球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的LED 驅(qū)動(dòng)情況,其最大可同時(shí)點(diǎn)亮20 盞LED。實(shí)心PDMS 球形振子和全泡沫PDMS 球形振子相比,全泡沫PDMS 球形振子的開(kāi)路電壓較之實(shí)心PDMS 球形振子的開(kāi)路電壓提升112.86%,全泡沫PDMS 球形振子點(diǎn)亮LED 的盞數(shù)較實(shí)心PDMS 球形振子增加181.82%。全泡沫PDMS 球形振子的開(kāi)路電壓較實(shí)心小球的開(kāi)路電壓而言提升并不明顯,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),可得出在球形振子轉(zhuǎn)速越高,即給全泡沫PDMS 球形振子提供更大的向心力時(shí),其開(kāi)路電壓會(huì)隨之增大,故本文提出在全泡沫PDMS 球形振子內(nèi)增添空心鐵球,以達(dá)到增強(qiáng)全泡沫PDMS 球形振子對(duì)球殼表面壓力的目的。

(4)多孔中空球形振子的開(kāi)路電壓研究

圖6(c)為以多孔中空球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓波形。如表1 所示,以多孔中空球形振子為振子的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)達(dá)到最大開(kāi)路電壓時(shí),其背電極1 的電壓值為49.6 V,背電極2 的電壓值為-34.4 V,最大開(kāi)路電壓為84 V。圖7(c)為以多孔中空球形振子為振子制作的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)LED 情況,其最大可同時(shí)點(diǎn)亮26 盞LED 燈。多孔中空球形振子較實(shí)心PDMS 球形振子,其開(kāi)路電壓提升了135.05%,其點(diǎn)亮LED 的盞數(shù)增加了236.36%。多孔中空球形振子較全泡沫PDMS 球形振子,其開(kāi)路電壓提升了119.66%,其點(diǎn)亮LED 的盞數(shù)增加了130%。由對(duì)比可看出,多孔中空球形振子可提高振子的帶電荷能力,并使兩端電極產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

圖6 采用不同結(jié)構(gòu)球形振子的開(kāi)路電壓Fig.6 Open-circuit voltage with different structures of oscillators

圖7 采用不同結(jié)構(gòu)球形振子點(diǎn)亮LED 圖Fig.7 Lighting LED diagrams with different structures of oscillators

3 結(jié)論

利用一種低成本制備多孔PDMS 包覆層的技術(shù),在球形TENG 的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種全新的內(nèi)部多孔振子結(jié)構(gòu),并結(jié)合有限元仿真軟件對(duì)該球形TENG的工作原理進(jìn)行研究和討論。多孔中空球形振子可以有效增大“接觸分離+滑動(dòng)摩擦”雙模式TENG 的電能輸出。通過(guò)對(duì)比實(shí)心PDMS 振子和全泡沫PDMS 振子組成的球形TENG,基于多孔中空球形振子的TENG 具有更高的開(kāi)路電壓(84 V)和短路電流(13 μA)。本文提出的多孔中空球形TENG 結(jié)構(gòu)有望用于制備低成本、高輸出的波浪能收集裝置。

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