中大新聞網訊（通訊員衣芳）近日，中山大學材料科學與工程學院衣芳教授課題組在柔性可穿戴能量收集方面取得新的研究進展：系統研究闡述了參比電極對單電極摩擦納米發電機性能的影響并提出了優化策略；發展了一種透氣編織型柔性可穿戴復合式能量收集器件并設計了匹配優化的能量管理系統。
參比電極對單電極摩擦納米發電機性能的影響及優化策略
參比電極對單電極摩擦納米發電機電輸出的影響部分圖舉例
當前全球能源危機使得新能源的研究備受關注，摩擦納米發電機由于具有輸出效率高、構建簡便、成本低、質量輕巧、工作模式多樣、選材廣泛等優點，成為機械能收集、自驅動運動傳感器、自供電可穿戴設備等領域備受關注的新技術。其中單電極摩擦納米發電機（single-electrode triboelectric nanogenerators, 簡稱SETENGs）因為結構簡單，工作時其中一個摩擦部件運動不受限制等優點而應用場景特別廣泛，特別是在目前新興的柔性電子領域具有巨大的應用潛力。關于SETENGs的理論模擬研究對于其實際應用具有重要的指導意義。目前SETENGs的理論模擬研究默認將與主電極等尺寸的參比電極放置于主電極下方進行SETENGs的相關研究分析；然而，器件在實際應用中，尤其是在柔性電子領域，為了密封性和便攜性，參比電極常常需要跟主電極集成在一起并且排布方式多樣，參比電極的位置分布、間隙距離、尺寸大小、形狀等可能都會對器件輸出性能產生影響，而這些影響還缺少系統研究并且相關機理機制尚不清晰。因此研究參比電極對SETENGs輸出性能的影響對器件結構設計和實際應用具有重要指導意義。
鑒于此，衣芳教授課題組深入系統地研究了參比電極的位置、尺寸、形狀等因素對SETENGs輸出性能的影響，通過理論模擬和實驗驗證對相關影響原理進行了詳細地闡述和分析，探究得到器件的最優輸出性能并且提出了相應的器件結構優化設計策略，該研究工作對SETENGs實際應用研究中的輸出性能優化提供了有力的理論依據和指導，也為器件結構設計合理性和最優性提供了堅實的理論支持。
相關成果以“Influence of the Reference Electrode on the Performance of Single-Electrode Triboelectric Nanogenerators and the Optimization Strategies”為題發表于期刊Advanced Science，第一作者為中山大學材料科學與工程學院碩士研究生陳澤桐（目前已畢業）；通訊作者為中山大學材料科學與工程學院衣芳教授、南京理工大學戴可人副教授、清華大學王曉峰研究員；中山大學材料科學與工程學院為論文第一完成單位。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202206950
透氣編織型柔性可穿戴復合式能量收集器件及其優化的能量管理系統
透氣編織型柔性可穿戴復合式能量收集器件及其自充電系統總覽
柔性可穿戴復合式能量收集器件是具有巨大潛力的可穿戴電子設備能源供給器件，它們能夠同步或互補地收集利用更多能量來源，有效規避了單一可穿戴能量收集器件的不連續能源供給問題。摩擦納米發電機(TENGs)與生物燃料電池(BFCs)的復合能量收集具有廣闊的應用前景，然而，目前存在兩個主要的挑戰。首先，兩種能量收集器件的電輸出嚴重不匹配，而目前尚未有對兩種器件復合的優化能量管理被研究報道。其次，以前報道的TENG-BFC可穿戴復合式能量收集器件大多基于平面結構，缺乏透氣性，不僅影響佩戴舒適性而且可能誘發皮膚疾病。
為此，衣芳教授課題組報道了一種由織物型摩擦納米發電機(T-TENG)和纖維型生物燃料電池(F-BFCs)編織而成的新型透氣可編織柔性可穿戴復合式能量收集器件（BWHEH），該器件具有良好的透氣性、柔韌性、舒適性。研究設計了匹配和優化TENG和BFC兩種器件輸出特性的能量管理電路，大大提高了復合式能量收集器件的輸出功率，顯著降低了有效內部阻抗，實現以穩定的直流電源可持續地為電子設備供電，而且提高了TENG-BFC復合式能量收集器件作為電源的可靠性、穩定性、噪聲和精度。詳細闡釋了TENG-BFC復合的能量管理原理。所設計制備的BWHEH自充電能量管理系統可以通過收集人體運動能和人體汗液能為常見便攜式電子設備持續供電。這項工作為能量收集提供了新的途徑，并為大功率復合式能量收集器件提供了基礎指導。
相關研究成果以“A breathable and woven hybrid energy harvester with optimized power management for sustainably powering electronics”為題發表在期刊Nano Energy，第一作者為中山大學材料科學與工程學院在讀碩士研究生卓靜婷；通訊作者為中山大學材料科學與工程學院衣芳教授、清華大學王曉峰研究員；中山大學材料科學與工程學院為論文第一完成單位。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523002732
