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具有三维立体结构的高性能摩擦发电机研究取得进展

2014-06-08 10:32:22   来源:纪录网   评论

图片说明:左上为摩擦发电机的结构模型,左下为摩擦表面的纳米结构示意图,右上为摩擦发电机的实物照片,右下为摩擦发电机点亮160个LED的实时照片。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林研究员和潘曹峰研究员领导的研究小组采用全新的三维立体结构设计,研制出大功率摩擦发电机,电信号输出性能获得进一步提升,并在传感领域显示出广阔的应用前景。相关文章发表在最新一期的《先进能源材料》(Advanced Energy Materials, 2014,DOI: 10.1002/aenm.201301592)。

摩擦发电机依靠高性能的电学输出,在能源以及自驱动电子器件领域受到越来越多的关注。传统的摩擦发电机包括两片带有极性相反电荷的薄膜,在周期的重合-分离过程中,输出周期性交流电流。这种摩擦发电机面临的问题是输出电流较小,在μA量级,限制了摩擦发电机对于大部分电子器件的应用。

由杜伟明、韩勋等组成的主力团队,在王中林教授和潘曹峰教授的指导下,设计出一种全新的三维立体结构,显著地提高了摩擦发电机的输出效率。该设计通过三维插齿式结构,将摩擦极性相反的A和B两种薄膜按照ABAB的方式形成能够产生滑动摩擦的堆叠层,并且将极性相同的薄膜所对应的电极层并联连接。这种结构极大地提高了摩擦层之间接触摩擦的面积,从而使摩擦发电机的电流输出获得了明显提升。随着AB薄膜数量的增加,摩擦发电机的电学输出也成比例的增长,一个拥有AB薄膜各20层、体积只有35 mm×45 mm×10mm摩擦发电机,开路电压可达800V,短路电流达到120μA,单次转移电荷总量2.5μC。随AB薄膜数量的增加,摩擦发电机的性能将继续提升。

研究发现,该发电机在工作时,两个摩擦表面的相对滑动距离和转移的电荷总量呈现极好的线性关系,其电流值和滑动的速度的线性相关性也很明显。因此,该摩擦发电机还可以应作为位移和速度传感器。

这种基于三维立体结构的大功率摩擦发电机,在驱动便携式电子器件、清洁能源以及国防科技领域都将有巨大的应用前景。(王怡)

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