納米發電機評判標準問世


近日,由中國科學院北京納米能源與係統研究所和美國佐治亞理工學院共同參與的科研團隊在納米能源所首席科學家、中國科學院外籍院士王中林帶領下,定義了摩擦納米發電機的品質因數作為其標準,並對發電機的結構品質因數和材料品質因數分別進行了模擬計算和實驗測量。該研究為摩擦納米發電機的進一步應用和工業化奠定了基礎。相關研究成果以Standards and Figure-of-Merits for Quantifying the Performance of Triboelectric Nanogenerators 為題在線刊登於《自然·通訊》期刊。


摩擦起電效應,是兩種不同材料經過相互摩擦而使其接觸表麵帶電的現象,是自然界中最常見的現象之一。王中林領導的研究團隊於2012年首次成功地研發出用有機材料製作的摩擦納米發電機,原創性地利用摩擦起電和靜電感應的耦合效應將機械能轉化成電能,並在近年來陸續展示了該類器件的各種基本工作模式和其適用於各種機械運動的能力。然而,基於多種模式多種結構的該類發電機還沒有一個統一標準來評價發電機的輸出能力,各種發電機之間也無法進行比較。相比之下,其它的能量轉換器件都有自己標準,例如熱機的卡諾效率、太陽能電池的能量轉換效率、熱電材料的ZT因子等等。評價標準的缺乏會極大地製約該發電機的發展和應用。


摩擦納米發電機自發明以來,其輸出性能已經為實驗和理論所證明。然而,由於此發電機的輸出與外界機械能輸入以及外接負載都有很大關係,如何評價發電機的品質一直是一個難題。而目前對於發電人們主要關注其平均輸出功率和能量轉換效率。由訾雲龍、牛思淼等組成的團隊,在王中林的指導下,從摩擦納米發電機的電壓V-電極間轉移電荷量Q曲線出發,對於發電機每周期輸出能量進行了研究,並且首次提出了摩擦納米發電機的最大能量輸出循環。基於此循環,參考了發電機平均輸出功率和能量轉換效率的定義,研究人員提出了發電機的性能品質因數作為評價發電機的標準,其中包括一個與發電機設計相關的結構品質因數和一個等於表麵電荷密度平方的材料品質因數。為了表征和比較不同結構的摩擦納米發電機,研究人員通過解析式計算和有限元模擬得出了摩擦納米發電機的結構品質因數,並對不同模式和結構的納米發電機進行了比較。該團隊還提供一種標準方法來表征材料品質因數,采用液態金屬較為準確測量了摩擦層材料的表麵電荷密度並計算了相關的材料品質因數。


對於該研究,同行業的專家給出了很高的評價。文章中所提出的一係列標準、模擬與實驗的手段、理論和實驗的結果對於摩擦納米發電機來說都屬於革命性的突破。首先,研究者所定義的品質因數作為摩擦納米發電機的可信的標準,實現了定量評價該發電機和比較不同發電機性能的方法。其次,文章中對結構品質因數的模擬成為了摩擦納米發電機結構進一步優化的依據。最後,文章中所提出來的通過液態金屬(液態镓及其合金等)對摩擦表麵電荷密度的測量為材料摩擦性能的量化提供了依據。此外,該研究中還體現了許多科學上和技術上的創新點。首先,文章中所使用的通過發電機的V-Q曲線來研究摩擦納米發電機輸出性能的研究手段將成為研究該發電機的有效工具。其次,通過該V-Q曲線,研究人員所提出的具有最大可能輸出的循環為將來設計和優化該發電機的輸出循環提供了標杆;和其它能量轉換器件(如熱機)不同的是,這個具有最大輸出的循環是可以通過實驗來實現的。最後,該研究還為從結構上和材料上評價摩擦納米發電機提供了標準方法。因此,該研究對於摩擦納米發電機的發展和應用具有重大意義,並將為推動摩擦納米發電機的工業化生產奠定基礎。


來源:中國科學院北京納米能源與係統研究所




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