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华中科大王云明Nano Energy:3D打印宏观模式的个性化摩擦纳米发电机

华中科大王云明Nano Energy:3D打印宏观模式的个性化摩擦纳米发电机

华中科大王云明Nano Energy:3D打印宏观模式的个性化摩擦纳米发电机

                           

【本文亮点】

(1)3D打印直接制造个性化摩擦纳米发电机(TENG)。

(2)选择正/负聚合物材料作为TENG的摩擦层来提高输出功率和能量转换效率。

(3)为了提高输出性能,进一步研究摩擦电极的结构,包括填充率,接触角和形貌。

(4)在20Hz时,TENG的η达到63.9%(U= 241V,I = 1.52mA)。



【图形摘要】

华中科大王云明Nano Energy:3D打印宏观模式的个性化摩擦纳米发电机

为了在实际应用中实现具有个性化设计的自供电设备,这项工作报告了一种基于熔融沉积制造(FDM)的3D打印方法来制造TENG,实现有效地收集环境中的振动能量。为了进一步获得满意的输出功率和较高的机械能转换效率,我们研究了填充率,接触角,宏观表面形貌宽度,敲击频率,输入功率和材料选择对TENG输出电压的影响。该垂直接触分离模式的能量转换效率达到63.9%。最大输出电压达到241 V,20Hz时电流为1.52 mA。


【引言】

摩擦纳米发电机(TENG)是提供能够满足世界能源消耗的绿色能源的最有吸引力的候选者之一。其优点包括功率输出高,瞬时转换效率高,设计简单,成本低,以及丰富的潜在材料选择。最近的研究表明,TENG在很大程度上提高了其输出功率和从各种来源有效采集机械能的能力,如机械振动,人体运动,气流,水和声振动。为了满足各种自供电设备并加速产业化,对TENG原理的研究主要集中在简化器件制造工艺以拓宽潜在应用领域。具体而言,由于3D打印成本低,应用范围广,因此新技术和创新方法比如静电纺丝,光刻和旋涂可以广泛应用与制造TENG。尽管已经开发出了各种制造技术和方法,但是器件制造方法仍然应该着眼于更广泛适用的方法,用以降低TENG的成本并为解决能源问题提供机会。因此,TENG器件的制造方法迫切需要一种低成本和广泛适用的技术。

在现有的制造技术和方法中,3D打印已经发展成为快速制造。它可以使用各种材料直接打印复杂对象,而不需要模板。3D打印机的广泛使用,特别是低成本的台式3D打印机,为制造能够高效收集能量的TENG提供了机会。尽管与光刻相比,3D打印的制造精度较低,但它能够满足快速制造复杂的TENG器件的要求,并且相关的研究人员正在努力不断提高打印精度和打印效率。同时,选择合适的正/负电极材料作为TENG器件中的摩擦层是至关重要的。在摩擦发电聚合物与3D打印工艺匹配方面的突破允许制造出具有高输出功率和高转换效率的个性化TENG器件,将对从周围环境收获能量的发展产生巨大影响。


【成果简介】

近日,华中科技大学王云明教授课题组(通讯作者)在国际顶级期刊 Nano Energy 上成功发表“3D printing individualized triboelectric nanogenerator with macro-pattern”的论文。论文第一作者乔海玉。研究人员基于熔融沉积(FDM)制造TENG器件,该方法是一种简单,多功能且快速的制造方法。TENG器件能够有效收集环境中的振动能量。基于数字化设计的模型,TENG设备的理想模式可以通过3D打印机直接快速制造。基于摩擦起电机制,选择合适的正负电极聚合物材料制造TENG器件,以获得高的输出功率和高的能量转换效率,收集振动能量。尼龙(PA)和聚丙烯与聚乙烯(PP / PE)的混合物分别用作正摩擦层和负摩擦层。在0°接触角下,微观形貌最佳匹配时,最大输出电压在20 Hz时达到241 V,瞬时电流峰值达到1.5 mA。当其他条件相同时,具有较低填充率的TENG摩擦层可以实现较高的输出功率。例如,当摩擦层厚度为0.3mm时,随着填充率增高,TENG器件(PA-PP / PE)的输出电压不断下降。具体而言,当填充率为20%,50%,75%,100%时,TENG的输出电压为176V,114V,84V,57V。同时实验结果表明,摩擦层越薄,TENG器件的正负摩擦层的输出性能越好。在振荡功率为3.5W,摩擦层厚度为0.2mm,接触角为0°和以尼龙(PA)和聚丙烯与聚乙烯(PP / PE)混合物为TENG材料时,随着敲击频率从5 Hz增加到20 Hz,TENG的输出电压从50 V上升到241 V。此外,通过增加实际接触面积,研究不同宽度的曲折图案对输出性能的影响,探索了在毫米量级的摩擦表面,简单宏观图案对TENG器件的输出性能的影响。得出结论:基于FDM策略制造TENG的3D打印通过降低有效杨氏模量显着提高了输出性能。此外,瞬时电流峰值达到1.52 mA。该垂直接触分离模式下的摩擦带电效率达到63.9%。基于FDM的3D打印概念将推动制造收集环境能源方法的进一步基础工作。另外,用于制造TENG器件的3D打印策略可以扩展到个性化设计的应用范围,并显著缩短科学研究所需的时间。因此,熔融沉积制造方法为TENG器件的设计和发展打开了一扇门,这对于能源生产的各种实际应用将是有用的。


【全文解析】

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图1(a)使用FDM制造TENG器件的过程; (b)摩擦电化学测量系统,插图:TENG布局示意图。

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图2 TENG器件的工作原理和正/负电荷的流动。

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图3(a)PA的SEM; (b)定义3D打印形貌的表面示意图,<Ⅰ>代表剖面图,SEM代表PA的剖面图,<Ⅱ>代表接触角的定义; (c)3D打印表面形貌的摩擦接触角为0°; (d)3D打印表面形貌的摩擦接触角为45°; (e)3D打印表面形貌的摩擦接触角为90°; (f)在20Hz的敲击频率,3.5W的振荡功率下不同接触角的PA-PP / PE(厚度,0.2mm;填充率,100%)的输出电压; (g)具有异常凸起和凹坑的薄膜的SEM

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图4 (a)在3.5 W的振荡功率和20 Hz的敲击频率下,不同填充率的PA-PP (厚度,0.3 mm)/ PE TENG的输出电压,<Ⅰ>填充率的概念图,<Ⅱ> 有效杨氏模量(Em)和孔隙率(α)的关系图; (b)在3.5W的振荡功率下,在20Hz敲击频率下使用不同厚度(填充率0.2mm,100%;填充率0.3mm和0.4mm,20%)的PA-PP / PE TENG器件的输出电压; (c)在3.5W振荡功率下,20Hz的敲击频率下zigzag不同宽度的输出电压; 插图:<Ⅰ>zigzag宽度的说明; <Ⅱ〜Ⅳ>是不同宽度的zigzag图案。

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图5 (a)在3.5 W的振荡功率下,不同频率的PA-PP / PE的输出电压(厚度0.2 mm;填充率100%,接触角0°)(b)在20Hz的敲击频率下具有不同振荡功率的PA-PP / PE(厚度,0.2mm;填充率,100%)的输出电压; (c)使用不同材料作为摩擦层(厚度0.2mm,填充率100%,接触角0°),在20 Hz的敲击频率和3.5W的振荡功率下的输出电压。

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图6在3.5 W的振荡功率下,20 Hz的敲击频率下PA-PP / PE(厚度0.2 mm;填充率100%)的短路电流,插图(顶部):放大电流峰值。插图(底部):当前的测量方法。



【总结与展望】

基于FDM的3D打印已成功应用于制造TENG器件,它可以收集周围环境振动产生的能量。本文阐述了制造过程,探讨了填充率,接触角,激发频率,输入功率,材料选择和zigzag的不同宽度下对TENG输出电压的影响,并分析了电流的特性。在敲击频率为20 Hz时,PA-PP / PE TENG器件的最大输出电压达到241 V,电流峰值在超短时间内达到1.52 mA。该垂直接触分离模式下的摩擦发电效率达到63.9%。3D打印制造TENG的概念将推动环境能量收集制造方法的进一步基础研究工作。

 

该工作得到了国家自然科学基金委员会(批准号:51605175,51675199,51635006)和中央高校基础研究基金(批准号:2016YXZD059,2015ZDTD028)的支持。

 

Haiyu Qiao, Yun Zhang, Zhigao Huang, Yunming Wang, ,Dequn Li, Huamin Zhou, 3Dprinting individualized triboelectric nanogenerator with macro-pattern ,Nanoenergy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.071

 

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