用于水滴能量收集的叉指電極摩擦納米發電機

胡怡先,孫若愚,趙 婧,劉 創,莫繼良,2

(1.西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031;2.牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031)

隨著化石燃料的持續消耗,能源短缺和環境問題已經引起了大眾的廣泛關注,尋找可再生和清潔能源成為解決可持續發展問題的唯一途徑[1]。目前,人類已經能從太陽能、風能和化學能源中獲取能量,但自然界中仍然存在許多值得開發利用的可再生能源,例如水能。水能是一種清潔、可循環和適應高峰的能源,可以滿足約占世界能源40%的需求[2],在最大程度上解決能源短缺的問題。水能已被廣泛用于水力發電,但由于其裝置結構和電磁感應工作原理的限制,仍有大量低頻水能(如雨滴)難以被收集[3]。因此,亟需一種結構簡單、工作可靠且高效的發電機收集水滴能量。

摩擦納米發電機是一種基于接觸帶電和靜電感應耦合的高效能量收集轉化裝置,能將多種形式的機械能轉化為電能,如水能[4-5]、風能[6-7]和人體運動能[8-9],現已被廣泛應用于藍色能源[10-11]、高壓供電[12-13]和自驅動傳感器[14-15]等領域,具有低成本、低頻范圍采集能力極佳等優點,可以有效獲取水滴能量。目前,已有多種方法制備摩擦納米發電機并將其應用于水能收集。Wang 等[16]開發并設計了一種基于摩擦電層和分級超疏水纖毛結構的可伸縮柔性混合電介質基摩擦納米發電機,可以有效地從各種人體運動和自然環境(雨滴和波浪)中獲取能量。Choi 等[17]設計了一種棒狀緊湊型摩擦納米發電機,可以從管狀系統的水運動中獲取能量,拓寬水驅動摩擦納米發電機的適用性。然而,傳統的摩擦納米發電機研究主要關注結構設計和摩擦電材料性能的提升,極少考慮電極結構對摩擦納米發電機發電效率的影響。傳統條狀電極結構具有的邊緣效應[18]會導致靜電感應過程中電荷損失,降低摩擦納米發電機的能量轉換效率。因此,通過對摩擦納米發電機電極結構的優化,提升摩擦納米發電機的輸出性能和能量轉換效率,具有重要的應用價值。

叉指電極能夠減少外界環境因素對摩擦納米發電機輸出的干擾,在一個水波或水滴的沖擊下實現多個電極對之間的電子交替流動,大大提高摩擦納米發電機的能量轉換效率[19]。本文設計了一種用于水滴能量收集的叉指電極摩擦納米發電機,通過水滴與發電機表面的摩擦獲取電能。首先,探討了一定面積內聚四氟乙烯(PTFE)膜厚和電極寬度對摩擦納米發電機電輸出性能的影響。其次,結合有限元數值模擬定量分析摩擦納米發電機的工作原理。最后,展示了摩擦納米發電機的負載驅動及電能存儲特性,探索了在雨水環境下為器件充電的潛在能力。相關研究成果可為構建用于水滴能量收集的叉指電極摩擦納米發電機結構提供理論基礎,為實現可持續供電提供潛在應用。

1 實驗

1.1 實驗材料

亞克力(PMMA)硬質板(尺寸: 200 mm×300 mm×2 mm,福建納仕達電子股份有限公司)、鋁箔(厚度:0.06 mm,深圳市信時包裝材料有限公司)、聚四氟乙烯(PTFE)薄膜(厚度: 0.03,0.05,0.08 和0.1 mm,上海新加德橡塑五金有限公司)、導電線(深圳市科比電子科技有限公司)、銀離子導電膠(珠海金士能科技有限公司)。

1.2 摩擦納米發電機的制備

摩擦納米發電機的制備方法如圖1(a)所示。首先,采用PMMA 硬質板作為摩擦納米發電機基底,將導電鋁箔貼附在基底表面。然后,通過機械切割形成5 個指狀電極,為確保電路斷開,相鄰電極以0.2 mm的間隙隔開。最后,將一張光滑完整的PTFE 膜貼附在指狀電極頂部,并用銀離子導電膠將導電線貼附在鋁箔電極的兩個端點,室溫下完全干燥。為了考察PTFE 膜厚和電極寬度對摩擦納米發電機發電效率的影響,研究了四種PTFE 膜厚(0.03,0.05,0.08 和0.1 mm)和七種電極寬度(10,20,30,35,40,45 和50 mm)。摩擦納米發電機實物圖如圖1(b)所示。

圖1 (a)摩擦納米發電機制備過程示意圖;(b)摩擦納米發電機實物圖Fig.1 (a) Schematic diagram of the preparation process of triboelectric nanogenerator;(b) Physical diagram of triboelectric nanogenerator

1.3 實驗表征

為保證實驗過程中水滴大小一致和滴速均勻,采用容量為50 mL 的全自動滴定管。采用可編程靜電計(Keithley 6514 型)評價摩擦納米發電機的電輸出性能,電壓測量范圍為10 μV～200 V,電流測量范圍為1 fA～20 mA,電荷量測量范圍為10 fC～20 μC。測量時將摩擦納米發電機放在具有一定傾斜角度的夾具上,靜電計的轉接線夾頭和鋁箔電極兩端點處固定的導電線連接,并根據輸出信號的情況選擇合適的量程。

1.4 仿真模擬

為了解摩擦納米發電機的工作機制,采用COMSOL Multiphysics 建立摩擦納米發電機和水滴的二維模型(圖2),模擬水滴落在摩擦納米發電機表面的輸出電場。二維模型中的相關參數均與實驗參數保持一致,電極表面上的電荷密度為2.74×10-6C/m2[23]。當水滴沿著PTFE 膜表面流過,PTFE 膜表面將攜帶負的摩擦電荷,因此在初始條件中,設置PTFE膜表面帶有負電荷,并假定液滴和PTFE 膜表面的電勢均為0。網格單元的范圍為0.033～8.8 mm,最大單元增長率為1.2。由于電場的即時建立,因此采用穩態求解器求解仿真模型中的瞬時電位差。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2 結果與討論

2.1 摩擦納米發電機工作機制

水滴在PTFE 膜表面滑動產生的電輸出歸因于接觸起電和靜電感應耦合[20],摩擦納米發電機的工作機制如圖3 所示。當水滴接觸PTFE 膜時,接觸起電使水滴和PTFE 膜上表面分別產生正電荷和負電荷。在PTFE 膜的下表面,即第一鋁電極的上表面,負電荷累積并有效屏蔽水滴的正電荷。為了中和PTFE 膜所帶的負電荷,叉指電極中的其他三個電極帶正電荷。當水滴沿著PTFE 膜表面流動時,累積的負電荷也沿著鋁電極流動,從而產生脈沖電流。當水滴到達第二鋁電極上方時,負電荷持續累積并有效屏蔽正電荷。當水滴繼續沿著PTFE 膜表面流動時,累積的負電荷會沿Al 電極反向流動,產生與上一個脈沖電流方向相反的極性。當水滴不斷滴落到PTFE 膜表面,會重復此過程,可以發現: 當水滴經過相鄰兩電極時,累積電荷來回移動,產生大量極性相反的電流峰值,有助于縮短電荷轉移周期[21],從而增加摩擦納米發電機的電輸出。

圖3 摩擦納米發電機的工作機制Fig.3 Working mechanism of the triboelectric nanogenerator

2.2 PTFE 膜厚對摩擦納米發電機的影響

摩擦電材料厚度會影響電極單位時間內電荷的轉移量,對摩擦納米發電機的電輸出性能有重要影響[22]。因此,選用合適的PTFE 膜厚有利于提高摩擦納米發電機的電輸出性能。

圖4 為四種PTFE 膜厚的摩擦納米發電機在不同電極寬度下的輸出電流。從圖中可以看出,當PTFE膜厚為0.03 mm 時,摩擦納米發電機的輸出電流幅值在52～100 nA 內波動;當PTFE 膜厚為0.05 mm 時,摩擦納米發電機的輸出電流幅值在55～140 nA 內波動;當PTFE 膜厚為0.08 mm 時,摩擦納米發電機的輸出電流幅值在91～453 nA 內波動?？梢钥闯?隨著PTFE 膜厚從0.03 mm 增大到0.08 mm,輸出電流最大幅值提高了3.53 倍。這可能是由于膜厚較小時,PTFE 膜表面累積的負電荷少,所以水滴在與PTFE 膜表面摩擦時正電荷轉移數量少,摩擦電流較低;隨著膜厚的增大,水滴與電極之間的電荷轉移數量增加,摩擦電流也隨之升高。然而,當膜厚增大為0.1 mm時,摩擦納米發電機的輸出電流最大幅值反而降低,在51～120 nA 內波動。這可能是由于PTFE 膜太厚,水滴所帶的正電荷難以誘導鋁電極產生負電荷,導致摩擦電流較低[22]。此外,可以觀察到在同一個電極寬度下,不同PTFE 膜厚摩擦納米發電機的輸出電流信號規律基本一致: 每組均有五個峰值,對應一個水滴流過五個叉指電極的輸出電流,且峰值也隨著PTFE膜厚的增大呈現先升高后降低的趨勢。

圖4 不同PTFE 膜厚摩擦納米發電機的電流。(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mmFig.4 Current of the triboelectric nanogenerator with different PTFE film thicknesses.(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mm

圖5 所示為不同PTFE 膜厚條件下,摩擦納米發電機的電荷量變化情況。當PTFE 膜厚從0.03 mm 增大到0.08 mm 時,電荷量幅值的波動范圍由4.82～18.75 nC 增大到8.58～34.95 nC;當PTFE 膜厚繼續增大到0.1 mm 時,電荷量幅值的波動范圍反而減小(5.7～20.16 nC)。顯然,當膜厚為0.08 mm 時產生的電荷量最大,是膜厚為0.03 mm 時電荷量的1.86 倍。由此可以看出,PTFE 膜厚會顯著影響水滴與電極之間的電流值和電荷量,輸出電流值和電荷量呈正相關。PTFE 膜厚為0.08 mm 的摩擦納米發電機在不同電極寬度下均有最佳的電輸出性能。

圖5 不同PTFE 膜厚摩擦納米發電機的電荷量。(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mmFig.5 Charge of the triboelectric nanogenerator with different PTFE film thicknesses.(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mm

2.3 電極寬度對摩擦納米發電機的影響

除PTFE 膜厚以外,電極寬度也是影響摩擦納米發電機輸出性能的重要因素之一。采用具有最優電輸出性能的PTFE 膜厚(0.08 mm),進一步探究電極寬度對摩擦納米發電機電輸出性能的影響。

圖6 為不同電極寬度下摩擦納米發電機的電壓值。當電極寬度從10 mm 增大到35 mm 時,電壓值呈現出先增大后減小的趨勢,電壓值從4.85 V 增大到47.42 V,且電極寬度為25 mm 時產生的電壓值最高。當水滴尺寸小于電極寬度時,水滴和PTFE 膜表面接觸面積較小,導致接觸表面電荷量累積不足;當水滴尺寸大于電極寬度時,水滴和鋁電極所帶的電荷將延伸到相鄰電極上,相鄰電極連接的電流表極性相反,故測得的電壓減小。而當水滴落在PTFE 膜表面的尺寸與叉指電極寬度(25 mm)相當時,電荷量累積最大,測得的輸出電壓最大[23]。

圖7 為相鄰兩水滴與PTFE 膜摩擦時產生的電流信號圖。隨著電極寬度逐漸增大,電流幅值與電壓值的變化趨勢完全一致: 當電極寬度為25 mm 時,輸出電流幅值最大,分別為453 nA 和318 nA,兩次輸出電流幅值均呈現出由大到小的變化趨勢。這是由于水滴滴落在第一電極上時速度最快,當它沿著PTFE 膜表面繼續流動時,會出現水滴與PTFE 膜分離或殘留部分微小水滴的現象,從而屏蔽PTFE 膜表面的負電荷,導致電流幅值減小。

由以上分析可知,當PTFE 膜厚為0.08 mm,電極寬度為25 mm 時,摩擦納米發電機產生的開路電壓、短路電流和電荷量值分別為47.42 V,453 nA 和34.95 nC,具有最佳的電輸出性能。

2.4 仿真結果

為了更加清晰地展示摩擦納米發電機工作時電荷轉移的過程,闡明水滴沿PTFE 膜表面流動時的電壓分布,本研究采用COMSOL 軟件進行有限元模擬。選擇PTFE 膜厚為0.08 mm,相鄰電極間隙為0.2 mm,電極寬度分別為20,25 和30 mm 的指狀電極作為對比。

圖8 所示為水滴沿PTFE 膜表面流動時的仿真結果圖。由圖8(a)可知,隨著電極寬度的增大,最大電壓值先增大后減小,這與實驗結果變化趨勢基本一致。結合圖8(b)和摩擦納米發電機的工作機制可知: 當水滴沿著PTFE 膜表面流動時,累積的負電荷也沿著鋁電極流動,系統形成電勢差,從而產生摩擦電流;當水滴完全位于第二電極上方(ⅱ)時,系統中的電勢差達到最大,即電壓值最高;當水滴從第二電極(ⅱ)流動到第三電極(ⅲ)時,累積的負電荷會沿著電極反向流動,系統中的電勢差隨之減小,電壓值逐漸下降;同理,當水滴從第三電極(ⅲ)流動到第四電極(ⅳ)時,電壓值升高;當水滴從第四電極(ⅳ)流動到第五電極(ⅴ)時,電壓值下降。但模擬電壓值仍高于實驗電壓值,這可能是由于在模擬過程中未考慮水滴殘留在PTFE 膜表面的情況所致。

圖8 仿真結果圖。(a) 電壓值;(b) 電勢分布圖Fig.8 Simulation results.(a) Voltage value;(b) Potential distribution

2.5 實際應用

采用相同的實驗裝置模擬雨天環境,將3 V 的商用LED 燈珠串聯在面包板上,通過導電線與摩擦納米發電機裝置連接,進一步考察叉指電極摩擦納米發電機用于雨水能量收集的實用性(圖9)。水流流動能夠點亮至少28 個LED 燈珠,優于同類型摩擦納米發電機的效果,表明本研究基于叉指電極的摩擦納米發電機具有更優異的電輸出性能[23-24]。

圖9 (a) 摩擦納米發電機驅動LED 工作連線圖;(b) LED 工作圖Fig.9 (a) Triboelectric nanogenerator driven LED working circuit diagram;(b) LED working diagram

3 結論

本文運用一種簡便高效的方法成功制備出用于水滴能量收集的摩擦納米發電機,利用叉指電極能夠加快累積電荷轉移的特點提升了摩擦納米發電機的電輸出性能。結合實驗測試和有限元數值模擬分析了摩擦納米發電機的工作機制。首先,探究了PTFE 膜厚對摩擦納米發電機電輸出性能的影響。結果表明: 當水滴與PTFE 膜表面摩擦時,PTFE 膜厚會影響表面電荷轉移量,進而對摩擦納米發電機的電輸出性能產生顯著影響,由此優選出電輸出性能最佳的PTFE 膜厚(0.08 mm)。其次,探討了電極寬度與摩擦納米發電機電輸出性能之間的關系,并通過有限元數值模擬驗證了實驗結果: 當電極寬度為25 mm 時,摩擦表面的感應電荷充分累積并發生完全轉移,此時測得的開路電壓和短路電流最高,分別為47.42 V 和453 nA。最后,采用該摩擦納米發電機驅動了至少28 個商用LED燈珠,驗證了其在雨水能量收集中的實用性。該研究展現了基于叉指電極的摩擦納米發電機在低頻水能收集方面的優勢,為未來的實際應用提供了理論依據。