现在很多东西都离不开电,而这么做可以增加电极输出性能!

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利用摩擦纳米发电机采集能量是为微电子、物联网等提供电力的一种有效策略。一般来说,摩擦电纳米发电机的输出性能受到空气击穿的限制。因此,研究者从金属电极与介电材料之间形成的电场的角度,系统地研究了在接触-分离模式和单电极模式下工作的TENG。


有限元模拟说明了这类器件在静电场和输出性能方面的差异。在接触分离模式下运行的TENG具有较低的内置电场,但可以提供更高的转移电荷、短路电流和开路电压。此外,在单电极模式下工作的TENG的输出性能可以通过减小间隙距离来提高。本文以“The effect of the electric field on the output performance of triboelectric nanogenerators”为题于2020年6月23日发布于《Journal of Computational Electronics》杂志上。


研究背景


能源在日常生活中扮演着重要的角色,特别是在物联网和人工智能时代。随着大量分布式传感器、智能机器人和电子设备的发展,供电将成为这些便携式或分布式设备的关键问题。目前,物联网依赖于实时数据采集,通常由电池或电容器供电。


但是,与效率下降、环境污染和频繁更换或充电有关的问题,使得有必要发展可以安装在这些装置上的能源提取技术。


最近发明了一种摩擦电纳米发电机(TENG),从日常生活中随处可见的环境机械能中获取能量。TENG的工作机理是基于接触起电与静电感应的耦合,这为加深对接触起电的认识提供了有效途径。这种效应通常发生在两种不同甚至相同材料之间的界面,受到许多因素的影响,如材料的温度、湿度、压力和表面性能。对这种静电场效应的适当控制使其在静电印刷、粒子加速器、静电沉淀等方面得到了应用。


因此,该电场的控制是接触器起电效果的关键。迄今为止,TENGs已被开发用于四种基本模式,即接触分离模式、单电极模式、滑动模式和独立摩擦电层模式,从而极大地扩展了其实际应用范围。作为有源传感器或电源,TENGs的输出性能也与介质表面的表面电荷密度密切相关。静电表面电荷会产生静电场,强烈影响腾的输出性能。


因此,人们努力提高介电材料的电荷密度,例如通过表面修饰或使用电源管理电路。最近的研究证实,当介电材料与金属电极之间产生的电场足够高,足以引起空气的击穿时,接触带电引起的表面电荷密度受到空气击穿的限制。这种静电击穿效应是日常生活中常见的物理现象,往往对电子设备有害。


如果电场超过30kv /mm,如帕森定律所示,空气将形成一个导电通道,允许电荷通过空气扩散。此外,由于转移的电荷量较小,这一电场在电阻较高时会增强,有利于击穿空气,从而大大降低TENGs的输出性能。然而,在接触分离模式和单电极模式下,电场对此类器件输出性能影响的机制尚不清楚。


在电源中,电子在不同电场驱动的两个电极之间流动。因此,电场对于进一步了解TEG是非常重要的。因此,研究者制作了一个腾,如图所示。


图为接触分离模式下工作


单电极模式下Teng的工作机理与CS-Teng相似.当介质材料与接地电极紧密接触时,FEP膜上产生的电场将从地面吸引正电荷,达到静电平衡状态。如果FEP薄膜远离电极,就没有足够的电场来维持平衡。因此,电子将从地面流向电极。当FEP薄膜与电极接触时,会从地面产生交流电。因此,比较两种不同的工作机理,SE-Teng的电场要比CS-Teng的电场大。


为了验证仿真结果,研究者在一台工作在接触分离模式或单电极模式下的直线电机上进行了实验。


图为Teng在接触分离模式下的输出性能


图为尺寸为50 mm×50 mm的SE-Teng的输出性能


除了接触带电效应外,还研究了静电感应对单电极模式Teng输出性能的影响。在这种结构中,只使用一个电极作为输出端,便于与其他电子产品集成。间隙距离定义为上电极与介电材料之间的距离,也表示接触分离模式下的分离距离。在这里,当间隙距离达到0 mm时,上电极与介电材料密切接触。


图为研究了尺寸为20 mm×20 mm的CS-Teng的输出性能


图为尺寸为20 mm×20 mm的SE-Teng的输出性能


如上所述,腾的工作机理是基于接触带电和静电感应。表面电荷在介质材料上引起的电荷强烈地依赖于介质表面与电极之间的距离。诱导的电荷量与其平方成反比。


研究结论


研究者制作了在接触分离和单电极模式下工作的张力,尺寸分别为50mm50mm和20mm20mm。在接触分离模式下工作的TENG显示出更高的表面电荷密度、更高的短路电流和更高的开路电压。通过COMSOL仿真验证了实验结果的正确性。


在单电极模式下,层之间建立了一个更高的电场,使它容易空气击穿,限制了TENG的输出性能。最后,通过减小间隙距离来提高单电极工作模式下的输出性能,间隙距离与感应距离有很大的关系。这些发现不仅为提高对接触电气化的认识提供了一个视角,而且揭示了这类器件实现非接触能量转换的巨大潜力。


参考文献:Hong Yi & Lun Xiong The effect of the electric field on the output performance of triboelectric nanogenerators  Journal of Computational Electronics 1670–1677(2020)



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