研究背景
随着5G和物联网（IoT）时代的到来，低功耗的便携式移动电子设备迫切地需要离散式、可持续的能量供给技术。新型发电技术基于光伏效应、电磁感应、压电或摩擦电效应等能量转换原理，可采集自然环境中丰富的能量，是一种极具发展潜力的供电方案。相比较于光伏电池和风力涡轮机只能在光照或风力充沛的环境下使用，压电或摩擦电纳米发电机具有不受天气影响、重量轻、易于制造的优势。然而，现有的纳米发电机器件仍存在能量利用效率较低和输出性能不理想的问题，限制了其实际应用。
混合式纳米发电机通过结合多种能量转换原理，有望解决器件能量效率不足的问题，从而进一步开发小型化、集成化的能量采集器件。考虑到器件尺寸与结构复杂度，设计并研制高集成度、高性能的混合式能量采集器件仍存在诸多挑战。开发难点在于能量采集单元的结构优化、激励载荷的有效传递和分布、适配的功率提取电路和能量利用方案。此外，纳米发电机采用的储能元件多为电容器，由于其快速充放电特性，并不适合用于恒定功率的电子设备供电。因此，在开发高性能混合式纳米发电机的基础上，还需建立一个更为合理的、可持续的能量采集与供能方案。
文章概述
近日，上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授团队设计出了一种高性能压电-摩擦电混合式机械能采集器件（HMEH），高效集成了摩擦电组件与压电组件，器件结构紧凑、体积小巧，并设有三个输出端口与三相全波整流电路匹配。该器件表现出优异的输出性能及耐用性，超过了大多数同类型器件。通过构建2 × 2的HMEH阵列，可成功驱动智能手环，实现心率监测和无线数据传输。该HMEH阵列可以为超级电容器与锂电池充电，分别实现对脉冲功率型与恒定功率型电子元器件供电。该项工作展示了一种受三相异步发电机启发的高性能压电-摩擦电混合式器件，为设计开发新型混合式能量采集器件提供了新的思路，满足智能道路、可穿戴电子和蓝色能源等应用中对机械能采集器件卓越性能的要求。该成果以“Design of high-performance triboelectric-piezoelectric hybridized mechanical energy harvester inspired by three-phase asynchronous generator”为题发表在高水平期刊【Nano Energy】上。
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图文导读
图1. HMEH结构设计与输出性能。
(a) 三相发电机及其供电系统示意图。(b) 混合式机械能量采集器示意图。(c) HMEH装置与三相全波整流器实物图。(d, e) HMEH低频输出性能。(f, g) HMEH与同类型接触分离混合纳米发电机的性能对比。
图2. HMEH适配功率电路。
(a) HMEH结构示意图。(b) HMEH三个输出端口对地电势。(c) HMEH的N1与N2端口输出性能。(d) HMEH的N1与N3端口输出性能。(e) HMEH的N2与N3端口输出性能。(f) 三相半波电路与全波整流电路输出对比。
图3. HMEH工作机理与器件耐用性。
(a) HMEH工作机理示意图。(b) HMEH的应力分布与电势分布模拟结果。(c) HMEH经40000次接触分离循环测试结果。
图4. HMEH功率特性。
(a) 摩擦电组件的输出峰值功率。(b) 压电组件的峰值输出功率。(c, d) HMEH在0.5 Hz与4.0 Hz激励下的峰值功率与平均功率。(e, f) HMEH驱动电子手表的电压-时间曲线。(g, h) HMEH驱动计算器与便携式收音机的电压-时间曲线。(i) HMEH无需储能电容驱动电子手表的电压-时间曲线。
图5. 基于HMEH阵列的能量利用方案。
(a) HMEH阵列示意图。(b) 阵列器件的短路电流。(c) HMEH阵列为10 mF电容器充电的电压-时间曲线。(d, e) HMEH驱动智能手环的电压-时间曲线，及手机端心率监测结果。(f, g) HMEH阵列为超级电容器充电，并进一步储存至充电宝。(h) HMEH阵列为锂电池充电。
图6. HMEH应用拓展。
(a) 结合HMEH的智能道路设施示意图。(b) 结合HMEH的可穿戴电子示意图。(c) 结合HMEH的智能海洋防护装置示意图。
总结
综上所述，本项研究通过将摩擦电和压电元件集成在一体式器件中，设计并制备了高性能、轻量化的机械能采集器件(HMEH)，可在0.5 Hz的超低频激励下提供810 V和0.65 mA的输出性能，甚至在4.0 Hz下达到500 V和1.10 mA。HMEH装置可承受40000次接触分离循环稳定性测试，无器件失效发生与显著的性能衰减，展现出其出色的耐久性与可靠性。同时探究了HMEH器件的工作机理和功率特性，分析其有效输出功率及部分电子设备（如电子手表、计算器）的实时功耗。HMEH可成功驱动该些电子设备，甚至可在无储能电容情况下进行实时供电。我们通过构建2×2 HMEH阵列，使得短路输出电流达到4 mA，顺利驱动智能手环，实现心率传感和无线数据传输。该HMEH阵列还可为超级电容器与锂电池充电，为脉冲功率型与恒定功率型的电子设备提供了适宜的能量利用方案。该项工作展示了一种受三相异步发电机启发的高性能压电-摩擦电混合式器件，为设计开发新型混合式能量采集器件提供了新的思路，满足智能道路、可穿戴电子和蓝色能源等应用中对机械能采集器件卓越性能的要求。
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