中大新聞網(wǎng)訊（通訊員衣芳）近日，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jìn)展：系統(tǒng)研究闡述了參比電極對單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)性能的影響并提出了優(yōu)化策略；發(fā)展了一種透氣編織型柔性可穿戴復(fù)合式能量收集器件并設(shè)計(jì)了匹配優(yōu)化的能量管理系統(tǒng)。

參比電極對單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)性能的影響及優(yōu)化策略

參比電極對單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)電輸出的影響部分圖舉例

當(dāng)前全球能源危機(jī)使得新能源的研究備受關(guān)注，摩擦納米發(fā)電機(jī)由于具有輸出效率高、構(gòu)建簡便、成本低、質(zhì)量輕巧、工作模式多樣、選材廣泛等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)械能收集、自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感器、自供電可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域備受關(guān)注的新技術(shù)。其中單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)（single-electrode triboelectric nanogenerators, 簡稱SETENGs）因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，工作時(shí)其中一個(gè)摩擦部件運(yùn)動(dòng)不受限制等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用場景特別廣泛，特別是在目前新興的柔性電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。關(guān)于SETENGs的理論模擬研究對于其實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。目前SETENGs的理論模擬研究默認(rèn)將與主電極等尺寸的參比電極放置于主電極下方進(jìn)行SETENGs的相關(guān)研究分析；然而，器件在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在柔性電子領(lǐng)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(huì)對器件輸出性能產(chǎn)生影響，而這些影響還缺少系統(tǒng)研究并且相關(guān)機(jī)理機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

鑒于此，衣芳教授課題組深入系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對相關(guān)影響原理進(jìn)行了詳細(xì)地闡述和分析，探究得到器件的最優(yōu)輸出性能并且提出了相應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，該研究工作對SETENGs實(shí)際應(yīng)用研究中的輸出性能優(yōu)化提供了有力的理論依據(jù)和指導(dǎo)，也為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性和最優(yōu)性提供了堅(jiān)實(shí)的理論支持。

相關(guān)成果以“Influence of the Reference Electrode on the Performance of Single-Electrode Triboelectric Nanogenerators and the Optimization Strategies”為題發(fā)表于期刊Advanced Science，第一作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生陳澤桐（目前已畢業(yè)）；通訊作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院衣芳教授、南京理工大學(xué)戴可人副教授、清華大學(xué)王曉峰研究員；中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)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(fù)合式能量收集器件及其優(yōu)化的能量管理系統(tǒng)

透氣編織型柔性可穿戴復(fù)合式能量收集器件及其自充電系統(tǒng)總覽

柔性可穿戴復(fù)合式能量收集器件是具有巨大潛力的可穿戴電子設(shè)備能源供給器件，它們能夠同步或互補(bǔ)地收集利用更多能量來源，有效規(guī)避了單一可穿戴能量收集器件的不連續(xù)能源供給問題。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENGs)與生物燃料電池(BFCs)的復(fù)合能量收集具有廣闊的應(yīng)用前景，然而，目前存在兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)。首先，兩種能量收集器件的電輸出嚴(yán)重不匹配，而目前尚未有對兩種器件復(fù)合的優(yōu)化能量管理被研究報(bào)道。其次，以前報(bào)道的TENG-BFC可穿戴復(fù)合式能量收集器件大多基于平面結(jié)構(gòu)，缺乏透氣性，不僅影響佩戴舒適性而且可能誘發(fā)皮膚疾病。

為此，衣芳教授課題組報(bào)道了一種由織物型摩擦納米發(fā)電機(jī)(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(fù)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(shè)計(jì)了匹配和優(yōu)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(fù)合式能量收集器件的輸出功率，顯著降低了有效內(nèi)部阻抗，實(shí)現(xiàn)以穩(wěn)定的直流電源可持續(xù)地為電子設(shè)備供電，而且提高了TENG-BFC復(fù)合式能量收集器件作為電源的可靠性、穩(wěn)定性、噪聲和精度。詳細(xì)闡釋了TENG-BFC復(fù)合的能量管理原理。所設(shè)計(jì)制備的BWHEH自充電能量管理系統(tǒng)可以通過收集人體運(yùn)動(dòng)能和人體汗液能為常見便攜式電子設(shè)備持續(xù)供電。這項(xiàng)工作為能量收集提供了新的途徑，并為大功率復(fù)合式能量收集器件提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。

相關(guān)研究成果以“A breathable and woven hybrid energy harvester with optimized power management for sustainably powering electronics”為題發(fā)表在期刊Nano Energy，第一作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生卓靜婷；通訊作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院衣芳教授、清華大學(xué)王曉峰研究員；中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523002732