北科大曹霞團隊Nano Energy：作為智能家居和地板的自供電傳感的天然木質摩擦電納米發電機

【引言】

在數字時代，智能家居也受到了科技進步的沖擊，受到了很多人的關注。現代智能家居系統是由各種計算設備和傳感器組成的，這給我們帶來了全新的挑戰，對能源的利用效率提出了更高的要求。在一般情況下，功率傳感器有電纜供電和移動供電兩種方式。電纜供電的特點是部署成本高，靈活性差。同時，移動供電的電池壽命有限，廢電池會對環境造成污染。因此，迫切需要一種自供電、高度靈活、無污染的傳感技術。近年來，基于摩擦起電與靜電感應耦合效應的摩擦電納米發電機（TENGs）由于成本低、選材廣泛、結構簡單等優點，已迅速發展成為一種強大的機械能轉化為電能的技術。TENGs和儲能設備集成為一個單元，為微電子設備提供可持續的電源。此外，基于麥克斯韋位移電流的TENGs可以有效地將機械能轉化為電能，無需電源即可自供電，大大提高了空間的靈活性。此外，已經充分證明了TENGs可以作為壓力、觸覺和運動傳感的自供電傳感器，而不需要額外的電源。因此，該技術已成為傳感器網絡、人工智能和IoTs的有效電源解決方案。然而，前者通常是由金屬和聚合物組成，難以回收和降解。長期積累可能會對環境造成潛在危害。本論文采用一種純天然可降解無污染材料作為摩擦電層，即木材。木材是最常見和最廣泛使用的裝飾材料之一，在室內設計中起著重要的作用。木質摩擦電納米發電機（W-TENG）是一種環保、可再生、可持續和易于制造的材料。可作為智能家居照明燈具的開關傳感器。目前，智能家居中的燈光開關可分為聲控開關和燈光控制開關。然而，智能家居中這兩種開關控制的燈具在開啟時需要一段時間才能自動關閉，這就造成了電能的消耗和浪費。在本研究中，W-TENG被制作成木質地板作為開關傳感器。人行走的機械能可以被收集并轉化為電能，它不需要外部動力。

【成果簡介】

近日，在北京科技大學曹霞教授、中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士團隊等人（共同通訊作者）帶領下，報告了一種天然可生物降解的木質摩擦電納米發電機（W-TENG），它不僅可以產生高輸出功率的電力微電子設備，而且還可以用作自供電傳感器。純天然可生物降解且無污染的木材用作摩擦電材料。W-TENG（8 cm×8 cm）的輸出電壓和電流在2 Hz的頻率下分別為220±20 V和5.8±0.5μA。在50?MΩ的電阻下，最大輸出功率密度可能高達158.2 mW/m²。在此基礎上，W-TENG可廣泛應用于自供電電燈開關、自供電門鈴等，實現對燈光的智能控制，并在很大程度上有助于節能。此外，它可以被設計成一個智能地板，并安裝在舞臺木地板上，以跟蹤和記錄舞者的動作。舞者可以通過他們腳下的地板來控制燈光。這個基于W-TENG的自供電系統為木材電子產品開辟了新的領域，它將在大數據分析、智能家居和智能城市環境中有潛在的應用。該成果以題為“Natural wood-based triboelectric nanogenerator as self-powered sensing for smart homes and floors”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 天然木材組裝的TENG的結構

a）W-TENG的示意圖。

b）W-TENG的照片。

c）新西蘭松的表面形貌。

d）新西蘭松SEM形貌圖像。

圖2 W-TENG的實驗裝置和機理圖

a）線性電動機系統的安裝照片。?

b）W-TENG的安裝放大圖。?

c）點亮LEDs。

d）W-TENG在單電極模式下的工作原理示意圖。?

i–iv）W-TENG在完全回收過程中的電荷分布：i）接觸狀態；ii）分離狀態；iii）釋放狀態和iv）接近狀態。

e）W-TENG（8 * 8 cm²）的開路電壓。

f）W-TENG（8 * 8 cm²）在2Hz頻率，0.352 m/s峰值速度的短路電流。

圖3 W-TENG的輸出性能及其影響因素

a）與各種木材組裝的W-TENG的開路電壓。

b）W-TENG的面積與電力輸出之間的關系。

c）直線電動機的工作頻率與W-TENG的電力輸出（5 cm×5 cm）之間的關系。

d）由W-TENG充電的電容器（1μF；4.7μF；10μF）的電壓曲線，插圖顯示等效電路。

e）具有外負載電阻的功率密度和短路電流。

f）穩定性測試：在10 min內記錄500次周期的開路電壓和短路電流，工作頻率為2 Hz，峰值速度為0.352 m/s。

圖4 W-TENG在智能家居中的應用

a,b）W-TENG在家用門上用手按壓時的a）開路電壓和b）短路電流。

c）門上的W-TENG用手帶動門點亮LEDs。

d）W-TENG作為傳感器的工作原理。

e）W-TENG應用于智能家居照明開關的照片。

f）W-TENG申請智能家居門鈴開關的照片。

圖5?W-TENG在智能地板中的應用

a）由木地板和拖鞋組成的TENG的示意圖。

b）與LED相連的拖鞋接觸木地板的照片。

c）“木質” LED的放大圖。

d,e）實驗人員穿著拖鞋踩在木地板上時的d）開路電壓和e）短路電流。

f）TENG用木地板和拖鞋為電容器（1μF）充電的電壓曲線。

g）由W-TENG儲存的電力驅動的電子表的照片。

h）由W-TENG控制的燈的照片。

圖6?W-TENG在舞臺藝術中的應用

a）舞者在舞臺上排隊跳舞的示意圖。

b）W-TENG布置的照片。

c）當舞鞋沿著A-B-C-D-E路徑運動時，W-TENG輸出實時電流信號。

d）當舞鞋沿著AD-AB-AB-C-E路徑運動時，W-TENG輸出實時電流信號。

【小結】

綜上所述，一種純天然可生物降解且無污染的天然木材作為摩擦電納米發電機（W-TENG）。這種W-TENG可以在能量收集和自供電傳感方面發揮非常重要的作用。W-TENG（8?cm×8 cm）的輸出電壓和電流在2 Hz的頻率下分別為220±20 V和5.8±0.5μA。在此W-TENG上，最大輸出功率密度在50MΩ的電阻下達到值158.2 mW/m²，可以存儲在電容器中。本研究還探討了摩擦電層的接觸面積和直線電機的工作頻率對輸出性能的影響，證明了輸出性能與這兩個因素呈正相關關系。眾所周知，木材是人們最熟悉和廣泛使用的建筑裝飾材料，在室內設計中起著重要的作用。將W-TENG與這些相結合，可以實現家庭自動化，包括自觸發式電燈開關、自觸發式門鈴、自觸發式地板等。同時，木材也經常被用作舞臺地板的材料。舞臺的木質地板上安裝了W-TENGs，可以跟蹤和記錄舞者的動作，甚至舞者自己也可以通過腳下的地板控制燈光。這種基于W-TENG的自供電系統為TENGs在智能家居和電子產品中的應用提供了一種新的設想。

?文獻鏈接：Natural wood-based triboelectric nanogenerator as self-powered sensing for smart homes and floors（Nano Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104770）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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