王中林院士高输出直流功率织物轻松点亮1053个LED灯

　　第一作者：Renwei Cheng，Kai Dong
　　通讯作者：王中林
　　通讯单位：中国科学院纳米科学卓越中心、中国科学院大学、美国佐治亚理工学院
　　【背景介绍】
　　可穿戴电子设备，在互联网时代发展迅猛，物联网极大地改变和丰富了人类的生活。基于摩擦电纳米发电机(TENGs)的能量收集纺织品，因其在可穿戴电子设备上的广泛应用，而受到人们广泛关注。然而，有限的交流输出瓶颈，极大地阻碍了纺织TENGs的发展。
　　【工作简介】
　　近日，来自中国科学院&美国佐治亚理工学院的王中林院士团队 ，通过在涤棉织物的上端(击穿电极)和下端(摩擦电极)上涂覆两个电极，研制出了一种轻质、高柔性、高耐磨、大功率输出的织物型直流TENG(FDC-TENG) 。通过对各种结构参数和环境因素的深入和系统的探索，研究者全面了解了FDC-TENG。摩擦带电引起的表面电荷 ，可以通过空气击穿，引起导电等离子体通道，进行单向有效的收集 ，从而实现手指大小的FDC-TENG 能够点亮99个灯泡 和1053个LED灯 ，并轻松直接地驱动手表和计算器 ，既不需要整流 也不需要电容充电 。相关研究成果以题为＂High Output Direct-Current Power Fabrics Based on Air Breakdown Effect＂发表在Energy & Environmental Science上。
　　【内容详情】
　　如图1a所示，FDC-TENG仅由一个织物衬底和两个电极组成。底部摩擦电极作为摩擦材料，通过摩擦带电效应，产生摩擦电荷。顶部击穿电极，通过空气击穿产生的导电等离子体通道，吸收摩擦电荷。
　　FDC-TENG在基于空气击穿的接触滑动模式下的工作机理，如图1c所示，该模式可在一个循环中分为四个阶段。将滑动距离、最大速度、加速度和减速度，分别设为17厘米，0.6 m s-1、10 m s-2、-10 m s-2。对应的速度和电输出，如图1f-h所示。在初始状态下，FDC-TENG和FEP薄膜是右对齐的。
　　由于摩擦起电效应，摩擦电极与FEP膜的表面，将带有相同数量的相反电荷。而FEP薄膜，由于具有更强的电子捕获能力，而带负电荷(图1ci)。随后，当FDC-TENG从右端向左移动时，击穿电极左侧FEP膜的表面电荷密度不够高，无法击穿空气。对应的电流、电荷转移和电压，分别显示在图1f、g和h的左侧。当FDC-TENG从左端向右移动时，FEP薄膜，可以持有准永久性的摩擦电荷。因此，击穿电极左侧的FEP膜表面，将形成高静电场。
　　当FDC-TENG以固定速度移动时，可以得到近似恒定的电流或电压。图1d显示了，在FEP薄膜上滑动FDC-TENG时，由于空气击穿而产生的电晕放电辉光。将FDC-TENG滑动到FEP膜的右侧后，表面电势明显降低，说明空气击穿导致 FEP膜的部分表面电荷释放 。图1e展示了，使用COMSOL Multiphysics进行的有限元模拟，更加定量地呈现了势分布。
　　图1 FDC-TENG的结构和工作机制。
　　为优化FDC-TENG的电输出性能，系统地研究了结构参数的影响，包括击穿电极长度(定义为A)、击穿电极距离摩擦层表面的高度(定义为B)、击穿电极的宽度(定义为C)、FDC-TENG滑动距离(定义为D)、摩擦电极宽度(定义为E)、摩擦电极长度(定义为F)，如图2a所示。电学输出测量，包括短路电流(ISC)、短路充电转移(QSC)和电压。
　　C对电输出性能的影响，以及ISC的变化，如图2b所示，ISC的峰值几乎不随C变化，同时出现了反向电流，并且随着C的增加而增加。通过匹配C= 2 cm时的电流曲线和速度曲线，可以发现FDC-TENG从右向左滑动的初始阶段，出现了反向电流(图2c)。此外，如图2e和f所示，随着C的增加，反向电荷也增加，从而导致QSC略有下降。
　　此前研究表明，相对湿度(RH)可能会影响FDC-TENG的电输出。如图2g所示，IA和IB的绝对值，都随着RH的增加而减小。从图2h可以明显看出，增大RH会使转移电荷(Q)减小，这说明随着RH的增大 ，FEP膜的表面电荷密度再次减小 。
　　如图2i的插图所示，IA与击穿电极形状关系不大，保持在1.43 μA，而IB随着击穿电极面积的增大而趋于0 μA。这说明击穿电极的形状 ，会影响反向电流 ，而不会影响空气击穿 。
　　图2 反向电流/充电的FDC-TENG输出性能。
　　FDC-TENG在不同速度下的ISC、电压和QSC，分别如图3a、b和c所示。随着转速的增加，ISC和电压几乎呈线性增加，说明转速对ISC和电压有显著影响。当FDC-TENG在低于0.05 m s-1的速度下滑行时，速度的增加会使QSC增大，而在更高的速度下,几乎没有变化。
　　然而，与饱和状态相比，在0.01 m s-1滑动速度下，收集的电荷减少了约26.9%(图3c)。这些结果表明，电荷耗散 是造成低速放电电荷减少的原因之一 ，但不是关键原因 。
　　更重要的是，如图3a和b的插图所示，当速度保持恒定时，FDC-TENG可以提供，一个近似稳定的电流或电压，这对供电电子设备是十分友好的。
　　此外，随着FDC-TENG重量的增加，电输出开始增加，随后达到一个近似的常数(图3d)。同时，如图3e和f所示，选用尼龙布作为摩擦层时，电流方向 和收集的电荷种类， 都与FEP和PTFE薄膜相反 。
　　空气击穿，发生在击穿电极与FEP膜之间的间隙中，因此间隙距离B，是一个非常重要的结构参数。从图3g来看，FDC-TENG的ISC、QSC和电压，随着B的增加而降低。在FEP薄膜表面电位恒定的情况下，增大的B会降低间隙中的静电场强度，不利于输出电流。
　　与此同时，增加的A有利于电输出，这归因于更大的电荷收集面积。摩擦电极的宽度E和长度F，电学的输出，随E或F的减小而增大。如图3h和i所示，FDC-TENG的电学输出，随着A和F的增大而增大(A=F)，说明电荷收集区域 ，对电学输出的作用更为显著 。
　　图3 FDC-TENG的电学输出性能。
　　此外，研究者提出了两种方法，通过改进结构进一步提高了FDC-TENG输出。通过对多个FDC-TENG进行集成，可以获得更高的电输出。图4e和f中表明，更多的集成单元 ，可以获得更高的电输出 。
　　图4g显示的是不同集成单元数n的FDC-TENG，对容量为0.1 mF的电解电容，在滑动频率为1.6 Hz下，直接充电的电压曲线。分析发现，FDC-TENG的电输出 ，随n的增加而增加 ，当n=4 时，在外加负载电阻为500 MΩ、频率为1 Hz时，最大峰值输出功率可达1.8 mW 。
　　图4 通过优化结构来提高电输出的方法。
　　在图5b和c中显示了，面积仅为3×6 cm2的FDC-TENG直接驱动的电子表和商用计算器的相应照片。通过手动滑动FDC-TENG，在FEP薄膜上，手表和计算器都可以连续工作 ，而不需要任何辅助电子设备 。
　　此外，手动滑动FDC-TENG，可点亮99个商用灯泡，并可点亮印有＂BINN＂字样的纸张(图5d和e)。此外，1053个LED (每个LED的阈值电压为3.0-3.2V)，也可以很容易地被点亮 ，而在两个电极交换后却看不到光 ，从而表明了FDC-TENG的高压和直流输出特性(图5f和g)。
　　图5 FDC-TENG的能量收集能力。
　　通过手动滑动附着在手臂上的FEP薄膜上的FDC-TENG，可点亮96个缝在毛衣上的心形彩灯(图5h和i)，从而展现了该设备的可穿戴性 。
　　【总结展望】
　　综上所述，研究者开发出一种高功率输出、完全灵活、重量轻且可穿戴的FDC-TENG，通过简单和容易地涂银浆，在涤纶棉织物的顶部和底部，可用于能量收集。随着相对湿度的增加，设备的电气输出性能会严重下降。此外，设备的电学输出，可以通过增加击穿电极和集成单元的数量而成倍增加。
　　FDC-TENG，可以轻松点亮99个商用灯泡、1053个LED和96个心形彩灯。低功耗的可穿戴电子产品，如手表和计算器，也可以轻松直接驱动，既不需要整流也不需要电容充电。
　　这项工作，不仅促进了物联网时代，可穿戴电子设备的人体生物机械能的采集，还可以为直流高输出功率面料，提供一种新颖的设计理念。
　　Renwei Cheng, Kai Dong, Pengfei Chen, Chuan Ning, Xiao Peng, Yihan Zhang, Di Liu, Zhong Lin Wang, High Output Direct-Current Power Fabrics Based on Air Breakdown Effect, Energy Environ. Sci., 2021, DOI:10.1039/D1EE00059D
　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00059d#!pAbstract