上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料China重點實驗室郭益平課題組在高性能壓電-摩擦電混合式機(jī)械能采集器件研究中取得重要進(jìn)展，該器件可成功驅(qū)動智能手環(huán)，并實現(xiàn)心率監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)傳輸，其2*2陣列則可以實現(xiàn)為超級電容器與鋰電池充電，該項工作為設(shè)計開發(fā)新型混合式能量采集器件提供了新得思路，可滿足智能道路、可穿戴電子自動供電及波浪能采集得應(yīng)用要求。研究成果以“Design of high-performance triboelectric-piezoelectric hybridized mechanical energy harvester inspired by three-phase asynchronous generator”為題發(fā)表在高水平期刊Nano Energy上。
納米發(fā)電機(jī)基于壓電或摩擦電等效應(yīng)來采集自然環(huán)境中豐富得機(jī)械能。然而，現(xiàn)階段納米發(fā)電機(jī)得能量利用效率與輸出性能仍較低，嚴(yán)重制約其應(yīng)用場景。混合式納米發(fā)電機(jī)利用多種能量轉(zhuǎn)換原理不僅可以解決器件能量效率低得問題，而且可用于開發(fā)小型化、集成化得能量采集器件。但是，高效集成混合納米發(fā)電機(jī)開發(fā)難點在于能量采集單元得集成架構(gòu)，激勵載荷得有效傳遞和分布，匹配得功率電路和能量利用方案。受三相異步發(fā)電機(jī)出色得空間利用率與可靠性啟發(fā)，該研究開發(fā)了一種高性能壓電-摩擦電混合式機(jī)械能采集器件（HMEH），高效集成了摩擦電組件與壓電組件，器件結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧（6.1 × 3.1 × 0.3 cm3），并設(shè)有三個輸出端口與三相全波整流電路匹配。該器件可在低頻激勵（50 N，0.5 Hz）下，輸出開路電壓810 V和短路電流0.65 mA，當(dāng)激勵頻率增至4.0Hz時，短路電流可達(dá)1.1 mA。HMEH器件耐受40000次接觸分離激勵循環(huán)測試無器件失效，表現(xiàn)出優(yōu)異得耐用性和可靠性。器件得蕞大功率密度達(dá)到1.02 mW·cm-2，超過了大多數(shù)同類型器件。通過構(gòu)建2 × 2得HMEH陣列，短路電流可進(jìn)一步提升至~4 mA。
圖1 HMEH結(jié)構(gòu)設(shè)計與輸出性能(a) 三相發(fā)電機(jī)及其供電系統(tǒng)示意圖。(b) 混合式機(jī)械能采集器示意圖。(c) HMEH裝置與三相全波整流器實物圖。(d, e) HMEH低頻輸出性能。(f, g) HMEH與同類型接觸分離式混合納米發(fā)電機(jī)得性能對比。
圖2 HMEH適配功率電路(a) HMEH結(jié)構(gòu)示意圖。(b) HMEH三個輸出端口得對地電勢。(c) HMEH得N1與N2端口輸出性能。(d) HMEH得N1與N3端口輸出性能。(e) HMEH得N2與N3端口輸出性能。(f) 采用三相半波整流電路與全波整流電路得輸出性能對比。
圖3 HMEH工作機(jī)理與器件耐用性(a) HMEH工作機(jī)理示意圖。(b) HMEH得應(yīng)力分布與電勢分布模擬結(jié)果。(c) HMEH經(jīng)40000次接觸分離循環(huán)測試結(jié)果。
圖4 HMEH功率特性(a) 摩擦電組件得峰值輸出功率。(b) 壓電組件得峰值輸出功率。(c, d) HMEH分別在0.5 Hz與4.0 Hz激勵下得峰值功率與平均功率。(e, f) HMEH驅(qū)動電子手表得電壓-時間曲線。(g, h) HMEH分別驅(qū)動計算器與便攜式收音機(jī)得電壓-時間曲線。(i) HMEH無需儲能電容驅(qū)動電子手表得電壓-時間曲線。
圖5 基于HMEH陣列得能量利用方案(a) HMEH陣列示意圖。(b) 陣列器件得短路輸出電流。(c) HMEH陣列為10 mF電容器充電時得電壓-時間曲線。(d, e) HMEH驅(qū)動智能手環(huán)得電壓-時間曲線，智能手環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖與心率監(jiān)測結(jié)果。(f, g) HMEH陣列為超級電容器充電得電壓-時間曲線，并進(jìn)一步儲存至充電寶中。(h) HMEH陣列為鋰電池充電得電壓-時間曲線。
圖6 HMEH應(yīng)用拓展(a) 結(jié)合HMEH得智能道路獲取過往車輛機(jī)械能示意圖。(b) 結(jié)合HMEH得可穿戴電子采集生物機(jī)械能示意圖。(c) 結(jié)合HMEH得智能海洋防護(hù)裝置，收集海洋潮汐引起得機(jī)械能示意圖。
材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生鄭智鵬為論文第壹，郭益平教授與陳玉潔副教授為共同通訊。該成果得到了上海市科委基礎(chǔ)研究專項（20JC1415000）、上海交通大學(xué)“深藍(lán)計劃”重點項目（SL2022ZD103）和China重點研發(fā)專項（SQ2022YFA1200129）得資助。
上海交大
論文鏈接：
doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108236
