用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机

胡怡先,孙若愚,赵 婧,刘 创,莫继良,2

(1.西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031;2.牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031)

随着化石燃料的持续消耗,能源短缺和环境问题已经引起了大众的广泛关注,寻找可再生和清洁能源成为解决可持续发展问题的唯一途径[1]。目前,人类已经能从太阳能、风能和化学能源中获取能量,但自然界中仍然存在许多值得开发利用的可再生能源,例如水能。水能是一种清洁、可循环和适应高峰的能源,可以满足约占世界能源40%的需求[2],在最大程度上解决能源短缺的问题。水能已被广泛用于水力发电,但由于其装置结构和电磁感应工作原理的限制,仍有大量低频水能(如雨滴)难以被收集[3]。因此,亟需一种结构简单、工作可靠且高效的发电机收集水滴能量。

摩擦纳米发电机是一种基于接触带电和静电感应耦合的高效能量收集转化装置,能将多种形式的机械能转化为电能,如水能[4-5]、风能[6-7]和人体运动能[8-9],现已被广泛应用于蓝色能源[10-11]、高压供电[12-13]和自驱动传感器[14-15]等领域,具有低成本、低频范围采集能力极佳等优点,可以有效获取水滴能量。目前,已有多种方法制备摩擦纳米发电机并将其应用于水能收集。Wang 等[16]开发并设计了一种基于摩擦电层和分级超疏水纤毛结构的可伸缩柔性混合电介质基摩擦纳米发电机,可以有效地从各种人体运动和自然环境(雨滴和波浪)中获取能量。Choi 等[17]设计了一种棒状紧凑型摩擦纳米发电机,可以从管状系统的水运动中获取能量,拓宽水驱动摩擦纳米发电机的适用性。然而,传统的摩擦纳米发电机研究主要关注结构设计和摩擦电材料性能的提升,极少考虑电极结构对摩擦纳米发电机发电效率的影响。传统条状电极结构具有的边缘效应[18]会导致静电感应过程中电荷损失,降低摩擦纳米发电机的能量转换效率。因此,通过对摩擦纳米发电机电极结构的优化,提升摩擦纳米发电机的输出性能和能量转换效率,具有重要的应用价值。

叉指电极能够减少外界环境因素对摩擦纳米发电机输出的干扰,在一个水波或水滴的冲击下实现多个电极对之间的电子交替流动,大大提高摩擦纳米发电机的能量转换效率[19]。本文设计了一种用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机,通过水滴与发电机表面的摩擦获取电能。首先,探讨了一定面积内聚四氟乙烯(PTFE)膜厚和电极宽度对摩擦纳米发电机电输出性能的影响。其次,结合有限元数值模拟定量分析摩擦纳米发电机的工作原理。最后,展示了摩擦纳米发电机的负载驱动及电能存储特性,探索了在雨水环境下为器件充电的潜在能力。相关研究成果可为构建用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机结构提供理论基础,为实现可持续供电提供潜在应用。

1 实验

1.1 实验材料

亚克力(PMMA)硬质板(尺寸: 200 mm×300 mm×2 mm,福建纳仕达电子股份有限公司)、铝箔(厚度:0.06 mm,深圳市信时包装材料有限公司)、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)、导电线(深圳市科比电子科技有限公司)、银离子导电胶(珠海金士能科技有限公司)。

1.2 摩擦纳米发电机的制备

摩擦纳米发电机的制备方法如图1(a)所示。首先,采用PMMA 硬质板作为摩擦纳米发电机基底,将导电铝箔贴附在基底表面。然后,通过机械切割形成5 个指状电极,为确保电路断开,相邻电极以0.2 mm的间隙隔开。最后,将一张光滑完整的PTFE 膜贴附在指状电极顶部,并用银离子导电胶将导电线贴附在铝箔电极的两个端点,室温下完全干燥。为了考察PTFE 膜厚和电极宽度对摩擦纳米发电机发电效率的影响,研究了四种PTFE 膜厚(0.03,0.05,0.08 和0.1 mm)和七种电极宽度(10,20,30,35,40,45 和50 mm)。摩擦纳米发电机实物图如图1(b)所示。

图1 (a)摩擦纳米发电机制备过程示意图;(b)摩擦纳米发电机实物图Fig.1 (a) Schematic diagram of the preparation process of triboelectric nanogenerator;(b) Physical diagram of triboelectric nanogenerator

1.3 实验表征

为保证实验过程中水滴大小一致和滴速均匀,采用容量为50 mL 的全自动滴定管。采用可编程静电计(Keithley 6514 型)评价摩擦纳米发电机的电输出性能,电压测量范围为10 μV～200 V,电流测量范围为1 fA～20 mA,电荷量测量范围为10 fC～20 μC。测量时将摩擦纳米发电机放在具有一定倾斜角度的夹具上,静电计的转接线夹头和铝箔电极两端点处固定的导电线连接,并根据输出信号的情况选择合适的量程。

1.4 仿真模拟

为了解摩擦纳米发电机的工作机制,采用COMSOL Multiphysics 建立摩擦纳米发电机和水滴的二维模型(图2),模拟水滴落在摩擦纳米发电机表面的输出电场。二维模型中的相关参数均与实验参数保持一致,电极表面上的电荷密度为2.74×10-6C/m2[23]。当水滴沿着PTFE 膜表面流过,PTFE 膜表面将携带负的摩擦电荷,因此在初始条件中,设置PTFE膜表面带有负电荷,并假定液滴和PTFE 膜表面的电势均为0。网格单元的范围为0.033～8.8 mm,最大单元增长率为1.2。由于电场的即时建立,因此采用稳态求解器求解仿真模型中的瞬时电位差。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2 结果与讨论

2.1 摩擦纳米发电机工作机制

水滴在PTFE 膜表面滑动产生的电输出归因于接触起电和静电感应耦合[20],摩擦纳米发电机的工作机制如图3 所示。当水滴接触PTFE 膜时,接触起电使水滴和PTFE 膜上表面分别产生正电荷和负电荷。在PTFE 膜的下表面,即第一铝电极的上表面,负电荷累积并有效屏蔽水滴的正电荷。为了中和PTFE 膜所带的负电荷,叉指电极中的其他三个电极带正电荷。当水滴沿着PTFE 膜表面流动时,累积的负电荷也沿着铝电极流动,从而产生脉冲电流。当水滴到达第二铝电极上方时,负电荷持续累积并有效屏蔽正电荷。当水滴继续沿着PTFE 膜表面流动时,累积的负电荷会沿Al 电极反向流动,产生与上一个脉冲电流方向相反的极性。当水滴不断滴落到PTFE 膜表面,会重复此过程,可以发现: 当水滴经过相邻两电极时,累积电荷来回移动,产生大量极性相反的电流峰值,有助于缩短电荷转移周期[21],从而增加摩擦纳米发电机的电输出。

图3 摩擦纳米发电机的工作机制Fig.3 Working mechanism of the triboelectric nanogenerator

2.2 PTFE 膜厚对摩擦纳米发电机的影响

摩擦电材料厚度会影响电极单位时间内电荷的转移量,对摩擦纳米发电机的电输出性能有重要影响[22]。因此,选用合适的PTFE 膜厚有利于提高摩擦纳米发电机的电输出性能。

图4 为四种PTFE 膜厚的摩擦纳米发电机在不同电极宽度下的输出电流。从图中可以看出,当PTFE膜厚为0.03 mm 时,摩擦纳米发电机的输出电流幅值在52～100 nA 内波动;当PTFE 膜厚为0.05 mm 时,摩擦纳米发电机的输出电流幅值在55～140 nA 内波动;当PTFE 膜厚为0.08 mm 时,摩擦纳米发电机的输出电流幅值在91～453 nA 内波动。可以看出,随着PTFE 膜厚从0.03 mm 增大到0.08 mm,输出电流最大幅值提高了3.53 倍。这可能是由于膜厚较小时,PTFE 膜表面累积的负电荷少,所以水滴在与PTFE 膜表面摩擦时正电荷转移数量少,摩擦电流较低;随着膜厚的增大,水滴与电极之间的电荷转移数量增加,摩擦电流也随之升高。然而,当膜厚增大为0.1 mm时,摩擦纳米发电机的输出电流最大幅值反而降低,在51～120 nA 内波动。这可能是由于PTFE 膜太厚,水滴所带的正电荷难以诱导铝电极产生负电荷,导致摩擦电流较低[22]。此外,可以观察到在同一个电极宽度下,不同PTFE 膜厚摩擦纳米发电机的输出电流信号规律基本一致: 每组均有五个峰值,对应一个水滴流过五个叉指电极的输出电流,且峰值也随着PTFE膜厚的增大呈现先升高后降低的趋势。

图4 不同PTFE 膜厚摩擦纳米发电机的电流。(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

图5 所示为不同PTFE 膜厚条件下,摩擦纳米发电机的电荷量变化情况。当PTFE 膜厚从0.03 mm 增大到0.08 mm 时,电荷量幅值的波动范围由4.82～18.75 nC 增大到8.58～34.95 nC;当PTFE 膜厚继续增大到0.1 mm 时,电荷量幅值的波动范围反而减小(5.7～20.16 nC)。显然,当膜厚为0.08 mm 时产生的电荷量最大,是膜厚为0.03 mm 时电荷量的1.86 倍。由此可以看出,PTFE 膜厚会显著影响水滴与电极之间的电流值和电荷量,输出电流值和电荷量呈正相关。PTFE 膜厚为0.08 mm 的摩擦纳米发电机在不同电极宽度下均有最佳的电输出性能。

图5 不同PTFE 膜厚摩擦纳米发电机的电荷量。(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 电极宽度对摩擦纳米发电机的影响

除PTFE 膜厚以外,电极宽度也是影响摩擦纳米发电机输出性能的重要因素之一。采用具有最优电输出性能的PTFE 膜厚(0.08 mm),进一步探究电极宽度对摩擦纳米发电机电输出性能的影响。

图6 为不同电极宽度下摩擦纳米发电机的电压值。当电极宽度从10 mm 增大到35 mm 时,电压值呈现出先增大后减小的趋势,电压值从4.85 V 增大到47.42 V,且电极宽度为25 mm 时产生的电压值最高。当水滴尺寸小于电极宽度时,水滴和PTFE 膜表面接触面积较小,导致接触表面电荷量累积不足;当水滴尺寸大于电极宽度时,水滴和铝电极所带的电荷将延伸到相邻电极上,相邻电极连接的电流表极性相反,故测得的电压减小。而当水滴落在PTFE 膜表面的尺寸与叉指电极宽度(25 mm)相当时,电荷量累积最大,测得的输出电压最大[23]。

图7 为相邻两水滴与PTFE 膜摩擦时产生的电流信号图。随着电极宽度逐渐增大,电流幅值与电压值的变化趋势完全一致: 当电极宽度为25 mm 时,输出电流幅值最大,分别为453 nA 和318 nA,两次输出电流幅值均呈现出由大到小的变化趋势。这是由于水滴滴落在第一电极上时速度最快,当它沿着PTFE 膜表面继续流动时,会出现水滴与PTFE 膜分离或残留部分微小水滴的现象,从而屏蔽PTFE 膜表面的负电荷,导致电流幅值减小。

由以上分析可知,当PTFE 膜厚为0.08 mm,电极宽度为25 mm 时,摩擦纳米发电机产生的开路电压、短路电流和电荷量值分别为47.42 V,453 nA 和34.95 nC,具有最佳的电输出性能。

2.4 仿真结果

为了更加清晰地展示摩擦纳米发电机工作时电荷转移的过程,阐明水滴沿PTFE 膜表面流动时的电压分布,本研究采用COMSOL 软件进行有限元模拟。选择PTFE 膜厚为0.08 mm,相邻电极间隙为0.2 mm,电极宽度分别为20,25 和30 mm 的指状电极作为对比。

图8 所示为水滴沿PTFE 膜表面流动时的仿真结果图。由图8(a)可知,随着电极宽度的增大,最大电压值先增大后减小,这与实验结果变化趋势基本一致。结合图8(b)和摩擦纳米发电机的工作机制可知: 当水滴沿着PTFE 膜表面流动时,累积的负电荷也沿着铝电极流动,系统形成电势差,从而产生摩擦电流;当水滴完全位于第二电极上方(ⅱ)时,系统中的电势差达到最大,即电压值最高;当水滴从第二电极(ⅱ)流动到第三电极(ⅲ)时,累积的负电荷会沿着电极反向流动,系统中的电势差随之减小,电压值逐渐下降;同理,当水滴从第三电极(ⅲ)流动到第四电极(ⅳ)时,电压值升高;当水滴从第四电极(ⅳ)流动到第五电极(ⅴ)时,电压值下降。但模拟电压值仍高于实验电压值,这可能是由于在模拟过程中未考虑水滴残留在PTFE 膜表面的情况所致。

图8 仿真结果图。(a) 电压值;(b) 电势分布图Fig.8 Simulation results.(a) Voltage value;(b) Potential distribution

2.5 实际应用

采用相同的实验装置模拟雨天环境,将3 V 的商用LED 灯珠串联在面包板上,通过导电线与摩擦纳米发电机装置连接,进一步考察叉指电极摩擦纳米发电机用于雨水能量收集的实用性(图9)。水流流动能够点亮至少28 个LED 灯珠,优于同类型摩擦纳米发电机的效果,表明本研究基于叉指电极的摩擦纳米发电机具有更优异的电输出性能[23-24]。

图9 (a) 摩擦纳米发电机驱动LED 工作连线图;(b) LED 工作图Fig.9 (a) Triboelectric nanogenerator driven LED working circuit diagram;(b) LED working diagram

3 结论

本文运用一种简便高效的方法成功制备出用于水滴能量收集的摩擦纳米发电机,利用叉指电极能够加快累积电荷转移的特点提升了摩擦纳米发电机的电输出性能。结合实验测试和有限元数值模拟分析了摩擦纳米发电机的工作机制。首先,探究了PTFE 膜厚对摩擦纳米发电机电输出性能的影响。结果表明: 当水滴与PTFE 膜表面摩擦时,PTFE 膜厚会影响表面电荷转移量,进而对摩擦纳米发电机的电输出性能产生显著影响,由此优选出电输出性能最佳的PTFE 膜厚(0.08 mm)。其次,探讨了电极宽度与摩擦纳米发电机电输出性能之间的关系,并通过有限元数值模拟验证了实验结果: 当电极宽度为25 mm 时,摩擦表面的感应电荷充分累积并发生完全转移,此时测得的开路电压和短路电流最高,分别为47.42 V 和453 nA。最后,采用该摩擦纳米发电机驱动了至少28 个商用LED灯珠,验证了其在雨水能量收集中的实用性。该研究展现了基于叉指电极的摩擦纳米发电机在低频水能收集方面的优势,为未来的实际应用提供了理论依据。