基于多孔中空振子的球形摩擦纳米发电机性能研究

罗元政,叶志诚,莫良浩,王凤鑫,廖 帅

(广东海洋大学 电子与信息工程学院,广东 湛江 524088)

近年来,全球能源危机愈演愈烈,在绿色环保可持续发展的理念推动下,海洋能源成为一种有望大规模应用的可再生能源[1]。目前海洋能源的收集主要以太阳能和风能为主,但均受限于环境和昼夜不能连续收集能量等问题[2],无法对海洋中蕴涵的丰富能量起到良好的收集效果。因此,如何合理地利用海洋所蕴涵的丰富能量成为一大挑战[3]。自2012 年中科院王中林团队首次提出摩擦纳米发电机(TENG)的概念以来[4],TENG 开辟了能源转化和应用的新领域。借助TENG 小型化、高效、全天候的中低频能源转化优点,有望实现海洋能高效收集。

在诸多具有不同多工作方式和结构的TENG 中,滚动式TENG 由于其优异的密封性和稳定性引起研究者广泛关注。如Rui 等[5]提出了一种滚动式的滚筒形摩擦纳米发电机用于海洋中的波浪能收集,其中FEP薄膜作为摩擦层可以有效增大该接触-滑动摩擦式摩擦纳米发电机的电能输出。Zhao 等[6]提出了一种不倒翁形的滚动式摩擦纳米发电机实现波浪能的收集,在低频水波驱动下实现了高频输出,进而大幅度提高了水波能的收集效率。在诸多滚动式TENG 中,中科院王中林团队提出的球形结构由于其密封性好、密度低以及能更好地应对低频随机能源的特点,具有实用化阵列化的应用前景。球形摩擦纳米发电机的工作原理主要是“接触分离[7-9]+滑动摩擦[10]”双模式,壳与内部振子之间的滚动、滑动和转动均能有效地积累摩擦电荷。其内部球形振子作为能量收集器的核心部件,往往需要具有轻量化、高机械强度、高表面粗糙度和低成本等特性,因此研究者一般通过旋涂去离子水[11]、快速热固化[12]、掺杂石墨烯[13]等方式提高摩擦材料的表面粗糙度,但这些方法普遍存在制作工艺复杂、成本较高的问题,有一定的局限性。中科院王中林团队提出以砂糖颗粒为振子,快速、低成本制备球形TENG 的新策略[14]。

为了实现低成本、高表面粗糙度、轻量化的球形振子制备,本文以金属空心薄球壳为中空骨架,在骨架外表面固化PDMS/糖混合硅胶,通过浸泡加热去除作为模板的砂糖颗粒,整个制备流程产生的副产品仅仅是可循环利用的糖水,实现了绿色无污染的糖模板工艺。结合简易的商用材料制备了多孔中空球形振子,并作为振子组装了球形摩擦纳米发电机,通过实验和仿真研究了多孔中空结构对球形摩擦纳米发电机的输出性能的影响。

1 球形摩擦纳米发电机的结构与制备工艺

1.1 球形摩擦纳米发电机的结构

球形摩擦纳米发电机的结构模型如图1(a)所示,其由直径8 cm 的球形亚克力外壳、直径4.1 cm 的球形振子、贴附在亚克力外壳表面的铝箔背电极和贴附在背电极表面的聚酰亚胺薄膜组成。球形摩擦纳米发电机中的球形振子可由实心PDMS 球形振子、全泡沫PDMS 球形振子、多孔中空球形振子三种不同结构的球形振子组成。如图1(b)所示,全泡沫PDMS 球形振子和多孔中空球形振子表面覆盖着边长约为1.54 mm的多边形孔隙,其中多孔中空球形振子由一个直径为31.68 mm 的空心金属球和覆盖在空心金属球表面的厚度为9.32 mm 的PDMS 薄膜组成。球形摩擦纳米发电机实物图如图1(c)所示。

图1 球形摩擦纳米发电机的结构Fig.1 Structure of vibrating triboelectric nanogenerator

1.2 球形摩擦纳米发电机的制备流程

(1)实心PDMS 球形振子的制备流程

首先将道康宁公司Sylgard 系列184 型硅胶液体基料和固化剂以10 ∶1 的质量比均匀混合成PDMS 前驱体,并注入球形模具。然后将注满混合液的模具放入80 ℃加热处理120 min,将固化后的PDMS 球形硅胶脱模,便可得到一个实心PDMS 球形振子。并最终利用透明的亚克力球壳、Kapton 薄膜和铝电极组装球形TENG,如图2(a)所示。

(2)全泡沫PDMS 球形振子的制备流程

首先将烘干糖颗粒倒入球形模具,并将上述PDMS 前驱体注入该模具内。随后将模具放入真空干燥箱,在真空状态下80 ℃加热120 min 固化,该步骤有利于PDMS 混合液充分渗透糖颗粒的间隙。然后将模具水浴融化去除糖模板,得到全泡沫球形振子,并组装球形TENG。如图2(b)所示。

(3)多孔中空球形振子的制备流程

在上述工艺基础上,先在球形模具中填充适量的砂糖颗粒,然后将空心金属置于模具内,并多次倒入PDMS 前驱液,直到充分渗入模具底部。此过程需要反复轻微挤压球形模具表面加速糖颗粒与PDMS 混合液的混合。随后重复上述的真空固化和水浴去除糖模板的步骤,脱模干燥后得到具有弹性的多孔中空振子,并最终组装球形TENG,如图2(c)所示。

图2 球形振子的制作流程Fig.2 The process of making oscillator spheres

2 球形摩擦纳米发电机的实验研究

2.1 球形摩擦纳米发电机的原理

球形摩擦纳米发电机的发电原理如图3(a)所示,在球形摩擦纳米发电机内部,当其受到外力影响时,电负性不同的两种材料即PDMS 球形振子和聚酰亚胺薄膜会因受到外力而产生相互摩擦,从而导致两种材料的接触面带有等量异种电荷。当电荷积累到一定程度,如图3(b),PDMS 球形振子远离背电极1 转向背电极2 时,原先的背电极1 便会因为PDMS 球形振子与聚酰亚胺薄膜表面的分离而产生感应电动势。因两个背电极通过导线连向地面,故在感应电动势的影响下,导线中的电子便会定向流向地面以达到平衡电势差的作用,故在导线中会产生传导电流。如图3(c),当球形振子到达背电极2 时,PDMS 球形振子便会再与背电极2 表面贴附的聚酰亚胺薄膜发生摩擦,产生电荷转移。如图3(d),当PDMS 球形振子由背电极2 运动到背电极1 时,电路中便会产生与原先相反的传导电流。

图3 球形摩擦纳米发电机的发电原理Fig.3 Power generation principle of vibrating triboelectric nanogenerator

在之前的报道中,王中林院士通过对麦克斯韦方程组的推导,提出了两个电极之间的相对压降公式为[15]:

式中:ε1和ε2为两个介电层的介电常数;d1和d2为两个介电层的厚度;σI(z,t) 为自由电子在电极中的积累;z[σI(z,t)-σc] 为两个电介质之间的间隙距离;z[σI(z,t)-σc]/ε0为间隙中的电场函数。本文所提出的多孔中空球形振子通过增加球形振子与聚酰亚胺薄膜之前的压力和泡沫状多孔结构的易变形特性,使得球形振子与聚酰亚胺薄膜的接触面积增加,从而使多孔中空球形振子所带有的电荷量增加。

式中:k为常数;Q为电荷量;r为到此电荷的距离。由公式(2)和公式(3)可知,当将球形振子类比为一个点电荷时,其表面带的电荷量增大,其产生的电场强度也会随之增大。再由公式(1)和公式(2)得,当其电场强度Ez增大时,其两背电极间的相对压降也会随之增加。所以基于中空结构的接触分离球形振子的两个背电极的电势压降更大。

2.2 Comsol 仿真实验

当模拟单个球形摩擦纳米发电机空间内的电势时,假设球壳位置固定,摩擦纳米发电机电极的开路电压随着移动的球形振子决定,其中对球形振子的设置如下:球形振子直径为25 mm,亚克力小球球壳直径为80 mm、壳厚为0.4 mm,铝箔电极数目为2。

为了研究球形振子的起电效果,本文采用了基于参数化扫描的准静态电场仿真方法,即将已知的相对运动轨迹进行离散,并通过对各个位置进行准静态仿真,实现不同时刻的静电场模拟。该方法计算效率较高,能处理已知运动路径的问题,以便进一步模拟随机波浪激励下球形振子的动态发电性能。

(1)实心PDMS 球形振子仿真实验

图4(a)为实心PDMS 球形振子的运动轨迹,图4(b)为以实心PDMS 球形振子为振子的摩擦纳米发电机的两电极间的开路电压。在球壳内部放入PDMS 小球作为自由摩擦体。PDMS 小球和铝片经过充分地接触后,球形振子表面将携带负的摩擦电荷,而铝片表面携带正的摩擦电荷。当小球在球壳内的内壁滚动时,都会引起空间电势的不断变化,不同的铝片之间将产生电势差,从而使连接不同铝片的导线中产生交流电信号,实现了机械能向电能的转化。

(2)多孔球形振子仿真实验

图4(c)为多孔球形振子的运动轨迹,图4(d)为以多孔球形振子为振子的摩擦纳米发电机的两电极间的开路电压。在其他条件不变的情况下,将实心PDMS 球形振子替换成多孔球形振子,对其性能进行测试,球形振子紧贴电极滚动左右来回一周期,多孔球形振子与电极摩擦产生的电势差较之实心PDMS 球形振子提升了132.26%。模拟球形振子运动时可观察到,多孔球形振子表面较之实心PDMS 球形振子会产生更多的电荷,从而导致两铝电极产生的开路电压的提升。

图4 Comsol 仿真不同振子的运动轨迹及开路电压图Fig.4 Comsol simulation of motion trajectory and open circuit voltage diagram of different oscillators

2.3 不同球形振子的输出性能实验

(1)不同结构球形振子的短路电流研究

图5(a)为以实心PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的短路电流波形,其电流可达-0.32 μA。图5(c)为以全泡沫PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的短路电流波形,其最大短路电流波形可达13.36 μA。图5(e) 为以铁芯多孔球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的短路电流波形,其最大短路电流波形可达12.42 μA,如表1 所示。通过三组数据可知,全泡沫PDMS 球形振子较实心PDMS 球形振子短路电流提升417.5%,铁芯多孔球形振子短路电流较实心PDMS 球形振子短路电流提升388.125%。由此可见通过融糖法提升摩擦材料表面的粗糙度对摩擦纳米发电机的短路电流呈现积极作用。其中通过图5(c)与图5(e)波形对比可得,以铁芯多孔球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机较以全泡沫PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机,其发电性能更加稳定,且能持续输出最大10 μA,最小-7.5 μA 的短路电流。

图5 采用不同结构球形振子时的短路电流及电荷量波形图Fig.5 Short-circuit current and charge waveform of spheres with different structures of oscillators

表1 不同球形振子的实验数据Tab.1 Experimental data of different oscillator spheres

(2)不同结构球形振子的电荷量研究

图5(b)为以实心PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的电荷量波形。图5(d)为以全泡沫PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的电荷量波形。图5(f)为以铁芯多孔球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的电荷量波形。如表1 所示,实心PDMS 球形振子的电荷量约为0.3 nC,全泡沫PDMS球形振子电荷量约为15 nC,铁芯多孔球形振子的电荷量约为35 nC,铁芯多孔小球和泡沫多孔小球较实心小球电荷量分别提升500%和1166.67%。由此可知,铁芯多孔球形振子所带有的电荷量优于全泡沫PDMS球形振子和实心PDMS 球形振子。

(3)实心PDMS 球形振子与全泡沫PDMS 球形振子的开路电压研究

图6(a)为以实心PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的电压波形,由表1 可知,以实心PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机,其电压呈现脉冲状,开路电压最大时其铝箔背电极1 的电压值为49.4 V,铝箔背电极2 的电压值为-12.8 V,其开路电压为62.2 V。图7(a)为以实心PDMS 球形振子为振子所制作的球形摩擦纳米发电机的LED 驱动情况,最大可使11 盏LED 同时亮起。图6(b)为以全泡沫PDMS 球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的电压波形,由表1 可知,当其开路电压最大时,其背电极1 的电压值为50 V,背电极2 的电压值为-20.2 V,开路电压最大值为70.2 V。图7(b)为以全泡沫PDMS球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的LED 驱动情况,其最大可同时点亮20 盏LED。实心PDMS 球形振子和全泡沫PDMS 球形振子相比,全泡沫PDMS 球形振子的开路电压较之实心PDMS 球形振子的开路电压提升112.86%,全泡沫PDMS 球形振子点亮LED 的盏数较实心PDMS 球形振子增加181.82%。全泡沫PDMS 球形振子的开路电压较实心小球的开路电压而言提升并不明显,通过多次实验,可得出在球形振子转速越高,即给全泡沫PDMS 球形振子提供更大的向心力时,其开路电压会随之增大,故本文提出在全泡沫PDMS 球形振子内增添空心铁球,以达到增强全泡沫PDMS 球形振子对球壳表面压力的目的。

(4)多孔中空球形振子的开路电压研究

图6(c)为以多孔中空球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机的电压波形。如表1 所示,以多孔中空球形振子为振子的球形摩擦纳米发电机达到最大开路电压时,其背电极1 的电压值为49.6 V,背电极2 的电压值为-34.4 V,最大开路电压为84 V。图7(c)为以多孔中空球形振子为振子制作的球形摩擦纳米发电机的驱动LED 情况,其最大可同时点亮26 盏LED 灯。多孔中空球形振子较实心PDMS 球形振子,其开路电压提升了135.05%,其点亮LED 的盏数增加了236.36%。多孔中空球形振子较全泡沫PDMS 球形振子,其开路电压提升了119.66%,其点亮LED 的盏数增加了130%。由对比可看出,多孔中空球形振子可提高振子的带电荷能力,并使两端电极产生更大的感应电动势。

图6 采用不同结构球形振子的开路电压Fig.6 Open-circuit voltage with different structures of oscillators

图7 采用不同结构球形振子点亮LED 图Fig.7 Lighting LED diagrams with different structures of oscillators

3 结论

利用一种低成本制备多孔PDMS 包覆层的技术,在球形TENG 的结构基础上设计了一种全新的内部多孔振子结构,并结合有限元仿真软件对该球形TENG的工作原理进行研究和讨论。多孔中空球形振子可以有效增大“接触分离+滑动摩擦”双模式TENG 的电能输出。通过对比实心PDMS 振子和全泡沫PDMS 振子组成的球形TENG,基于多孔中空球形振子的TENG 具有更高的开路电压(84 V)和短路电流(13 μA)。本文提出的多孔中空球形TENG 结构有望用于制备低成本、高输出的波浪能收集装置。