基于多孔中空振子的球形摩擦納米發電機性能研究

羅元政,葉志誠,莫良浩,王鳳鑫,廖 帥

(廣東海洋大學 電子與信息工程學院,廣東 湛江 524088)

近年來,全球能源危機愈演愈烈,在綠色環保可持續發展的理念推動下,海洋能源成為一種有望大規模應用的可再生能源[1]。目前海洋能源的收集主要以太陽能和風能為主,但均受限于環境和晝夜不能連續收集能量等問題[2],無法對海洋中蘊涵的豐富能量起到良好的收集效果。因此,如何合理地利用海洋所蘊涵的豐富能量成為一大挑戰[3]。自2012 年中科院王中林團隊首次提出摩擦納米發電機(TENG)的概念以來[4],TENG 開辟了能源轉化和應用的新領域。借助TENG 小型化、高效、全天候的中低頻能源轉化優點,有望實現海洋能高效收集。

在諸多具有不同多工作方式和結構的TENG 中,滾動式TENG 由于其優異的密封性和穩定性引起研究者廣泛關注。如Rui 等[5]提出了一種滾動式的滾筒形摩擦納米發電機用于海洋中的波浪能收集,其中FEP薄膜作為摩擦層可以有效增大該接觸-滑動摩擦式摩擦納米發電機的電能輸出。Zhao 等[6]提出了一種不倒翁形的滾動式摩擦納米發電機實現波浪能的收集,在低頻水波驅動下實現了高頻輸出,進而大幅度提高了水波能的收集效率。在諸多滾動式TENG 中,中科院王中林團隊提出的球形結構由于其密封性好、密度低以及能更好地應對低頻隨機能源的特點,具有實用化陣列化的應用前景。球形摩擦納米發電機的工作原理主要是“接觸分離[7-9]+滑動摩擦[10]”雙模式,殼與內部振子之間的滾動、滑動和轉動均能有效地積累摩擦電荷。其內部球形振子作為能量收集器的核心部件,往往需要具有輕量化、高機械強度、高表面粗糙度和低成本等特性,因此研究者一般通過旋涂去離子水[11]、快速熱固化[12]、摻雜石墨烯[13]等方式提高摩擦材料的表面粗糙度,但這些方法普遍存在制作工藝復雜、成本較高的問題,有一定的局限性。中科院王中林團隊提出以砂糖顆粒為振子,快速、低成本制備球形TENG 的新策略[14]。

為了實現低成本、高表面粗糙度、輕量化的球形振子制備,本文以金屬空心薄球殼為中空骨架,在骨架外表面固化PDMS/糖混合硅膠,通過浸泡加熱去除作為模板的砂糖顆粒,整個制備流程產生的副產品僅僅是可循環利用的糖水,實現了綠色無污染的糖模板工藝。結合簡易的商用材料制備了多孔中空球形振子,并作為振子組裝了球形摩擦納米發電機,通過實驗和仿真研究了多孔中空結構對球形摩擦納米發電機的輸出性能的影響。

1 球形摩擦納米發電機的結構與制備工藝

1.1 球形摩擦納米發電機的結構

球形摩擦納米發電機的結構模型如圖1(a)所示,其由直徑8 cm 的球形亞克力外殼、直徑4.1 cm 的球形振子、貼附在亞克力外殼表面的鋁箔背電極和貼附在背電極表面的聚酰亞胺薄膜組成。球形摩擦納米發電機中的球形振子可由實心PDMS 球形振子、全泡沫PDMS 球形振子、多孔中空球形振子三種不同結構的球形振子組成。如圖1(b)所示,全泡沫PDMS 球形振子和多孔中空球形振子表面覆蓋著邊長約為1.54 mm的多邊形孔隙,其中多孔中空球形振子由一個直徑為31.68 mm 的空心金屬球和覆蓋在空心金屬球表面的厚度為9.32 mm 的PDMS 薄膜組成。球形摩擦納米發電機實物圖如圖1(c)所示。

圖1 球形摩擦納米發電機的結構Fig.1 Structure of vibrating triboelectric nanogenerator

1.2 球形摩擦納米發電機的制備流程

(1)實心PDMS 球形振子的制備流程

首先將道康寧公司Sylgard 系列184 型硅膠液體基料和固化劑以10 ∶1 的質量比均勻混合成PDMS 前驅體,并注入球形模具。然后將注滿混合液的模具放入80 ℃加熱處理120 min,將固化后的PDMS 球形硅膠脫模,便可得到一個實心PDMS 球形振子。并最終利用透明的亞克力球殼、Kapton 薄膜和鋁電極組裝球形TENG,如圖2(a)所示。

(2)全泡沫PDMS 球形振子的制備流程

首先將烘干糖顆粒倒入球形模具,并將上述PDMS 前驅體注入該模具內。隨后將模具放入真空干燥箱,在真空狀態下80 ℃加熱120 min 固化,該步驟有利于PDMS 混合液充分滲透糖顆粒的間隙。然后將模具水浴融化去除糖模板,得到全泡沫球形振子,并組裝球形TENG。如圖2(b)所示。

(3)多孔中空球形振子的制備流程

在上述工藝基礎上,先在球形模具中填充適量的砂糖顆粒,然后將空心金屬置于模具內,并多次倒入PDMS 前驅液,直到充分滲入模具底部。此過程需要反復輕微擠壓球形模具表面加速糖顆粒與PDMS 混合液的混合。隨后重復上述的真空固化和水浴去除糖模板的步驟,脫模干燥后得到具有彈性的多孔中空振子,并最終組裝球形TENG,如圖2(c)所示。

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

2 球形摩擦納米發電機的實驗研究

2.1 球形摩擦納米發電機的原理

球形摩擦納米發電機的發電原理如圖3(a)所示,在球形摩擦納米發電機內部,當其受到外力影響時,電負性不同的兩種材料即PDMS 球形振子和聚酰亞胺薄膜會因受到外力而產生相互摩擦,從而導致兩種材料的接觸面帶有等量異種電荷。當電荷積累到一定程度,如圖3(b),PDMS 球形振子遠離背電極1 轉向背電極2 時,原先的背電極1 便會因為PDMS 球形振子與聚酰亞胺薄膜表面的分離而產生感應電動勢。因兩個背電極通過導線連向地面,故在感應電動勢的影響下,導線中的電子便會定向流向地面以達到平衡電勢差的作用,故在導線中會產生傳導電流。如圖3(c),當球形振子到達背電極2 時,PDMS 球形振子便會再與背電極2 表面貼附的聚酰亞胺薄膜發生摩擦,產生電荷轉移。如圖3(d),當PDMS 球形振子由背電極2 運動到背電極1 時,電路中便會產生與原先相反的傳導電流。

圖3 球形摩擦納米發電機的發電原理Fig.3 Power generation principle of vibrating triboelectric nanogenerator

在之前的報道中,王中林院士通過對麥克斯韋方程組的推導,提出了兩個電極之間的相對壓降公式為[15]:

式中:ε1和ε2為兩個介電層的介電常數;d1和d2為兩個介電層的厚度;σI(z,t) 為自由電子在電極中的積累;z[σI(z,t)-σc] 為兩個電介質之間的間隙距離;z[σI(z,t)-σc]/ε0為間隙中的電場函數。本文所提出的多孔中空球形振子通過增加球形振子與聚酰亞胺薄膜之前的壓力和泡沫狀多孔結構的易變形特性,使得球形振子與聚酰亞胺薄膜的接觸面積增加,從而使多孔中空球形振子所帶有的電荷量增加。

式中:k為常數;Q為電荷量;r為到此電荷的距離。由公式(2)和公式(3)可知,當將球形振子類比為一個點電荷時,其表面帶的電荷量增大,其產生的電場強度也會隨之增大。再由公式(1)和公式(2)得,當其電場強度Ez增大時,其兩背電極間的相對壓降也會隨之增加。所以基于中空結構的接觸分離球形振子的兩個背電極的電勢壓降更大。

2.2 Comsol 仿真實驗

當模擬單個球形摩擦納米發電機空間內的電勢時,假設球殼位置固定,摩擦納米發電機電極的開路電壓隨著移動的球形振子決定,其中對球形振子的設置如下:球形振子直徑為25 mm,亞克力小球球殼直徑為80 mm、殼厚為0.4 mm,鋁箔電極數目為2。

為了研究球形振子的起電效果,本文采用了基于參數化掃描的準靜態電場仿真方法,即將已知的相對運動軌跡進行離散,并通過對各個位置進行準靜態仿真,實現不同時刻的靜電場模擬。該方法計算效率較高,能處理已知運動路徑的問題,以便進一步模擬隨機波浪激勵下球形振子的動態發電性能。

(1)實心PDMS 球形振子仿真實驗

圖4(a)為實心PDMS 球形振子的運動軌跡,圖4(b)為以實心PDMS 球形振子為振子的摩擦納米發電機的兩電極間的開路電壓。在球殼內部放入PDMS 小球作為自由摩擦體。PDMS 小球和鋁片經過充分地接觸后,球形振子表面將攜帶負的摩擦電荷,而鋁片表面攜帶正的摩擦電荷。當小球在球殼內的內壁滾動時,都會引起空間電勢的不斷變化,不同的鋁片之間將產生電勢差,從而使連接不同鋁片的導線中產生交流電信號,實現了機械能向電能的轉化。

(2)多孔球形振子仿真實驗

圖4(c)為多孔球形振子的運動軌跡,圖4(d)為以多孔球形振子為振子的摩擦納米發電機的兩電極間的開路電壓。在其他條件不變的情況下,將實心PDMS 球形振子替換成多孔球形振子,對其性能進行測試,球形振子緊貼電極滾動左右來回一周期,多孔球形振子與電極摩擦產生的電勢差較之實心PDMS 球形振子提升了132.26%。模擬球形振子運動時可觀察到,多孔球形振子表面較之實心PDMS 球形振子會產生更多的電荷,從而導致兩鋁電極產生的開路電壓的提升。

圖4 Comsol 仿真不同振子的運動軌跡及開路電壓圖Fig.4 Comsol simulation of motion trajectory and open circuit voltage diagram of different oscillators

2.3 不同球形振子的輸出性能實驗

(1)不同結構球形振子的短路電流研究

圖5(a)為以實心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的短路電流波形,其電流可達-0.32 μA。圖5(c)為以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的短路電流波形,其最大短路電流波形可達13.36 μA。圖5(e) 為以鐵芯多孔球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的短路電流波形,其最大短路電流波形可達12.42 μA,如表1 所示。通過三組數據可知,全泡沫PDMS 球形振子較實心PDMS 球形振子短路電流提升417.5%,鐵芯多孔球形振子短路電流較實心PDMS 球形振子短路電流提升388.125%。由此可見通過融糖法提升摩擦材料表面的粗糙度對摩擦納米發電機的短路電流呈現積極作用。其中通過圖5(c)與圖5(e)波形對比可得,以鐵芯多孔球形振子為振子的球形摩擦納米發電機較以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機,其發電性能更加穩定,且能持續輸出最大10 μA,最小-7.5 μA 的短路電流。

圖5 采用不同結構球形振子時的短路電流及電荷量波形圖Fig.5 Short-circuit current and charge waveform of spheres with different structures of oscillators

表1 不同球形振子的實驗數據Tab.1 Experimental data of different oscillator spheres

(2)不同結構球形振子的電荷量研究

圖5(b)為以實心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的電荷量波形。圖5(d)為以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的電荷量波形。圖5(f)為以鐵芯多孔球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的電荷量波形。如表1 所示,實心PDMS 球形振子的電荷量約為0.3 nC,全泡沫PDMS球形振子電荷量約為15 nC,鐵芯多孔球形振子的電荷量約為35 nC,鐵芯多孔小球和泡沫多孔小球較實心小球電荷量分別提升500%和1166.67%。由此可知,鐵芯多孔球形振子所帶有的電荷量優于全泡沫PDMS球形振子和實心PDMS 球形振子。

(3)實心PDMS 球形振子與全泡沫PDMS 球形振子的開路電壓研究

圖6(a)為以實心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的電壓波形,由表1 可知,以實心PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機,其電壓呈現脈沖狀,開路電壓最大時其鋁箔背電極1 的電壓值為49.4 V,鋁箔背電極2 的電壓值為-12.8 V,其開路電壓為62.2 V。圖7(a)為以實心PDMS 球形振子為振子所制作的球形摩擦納米發電機的LED 驅動情況,最大可使11 盞LED 同時亮起。圖6(b)為以全泡沫PDMS 球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的電壓波形,由表1 可知,當其開路電壓最大時,其背電極1 的電壓值為50 V,背電極2 的電壓值為-20.2 V,開路電壓最大值為70.2 V。圖7(b)為以全泡沫PDMS球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的LED 驅動情況,其最大可同時點亮20 盞LED。實心PDMS 球形振子和全泡沫PDMS 球形振子相比,全泡沫PDMS 球形振子的開路電壓較之實心PDMS 球形振子的開路電壓提升112.86%,全泡沫PDMS 球形振子點亮LED 的盞數較實心PDMS 球形振子增加181.82%。全泡沫PDMS 球形振子的開路電壓較實心小球的開路電壓而言提升并不明顯,通過多次實驗,可得出在球形振子轉速越高,即給全泡沫PDMS 球形振子提供更大的向心力時,其開路電壓會隨之增大,故本文提出在全泡沫PDMS 球形振子內增添空心鐵球,以達到增強全泡沫PDMS 球形振子對球殼表面壓力的目的。

(4)多孔中空球形振子的開路電壓研究

圖6(c)為以多孔中空球形振子為振子的球形摩擦納米發電機的電壓波形。如表1 所示,以多孔中空球形振子為振子的球形摩擦納米發電機達到最大開路電壓時,其背電極1 的電壓值為49.6 V,背電極2 的電壓值為-34.4 V,最大開路電壓為84 V。圖7(c)為以多孔中空球形振子為振子制作的球形摩擦納米發電機的驅動LED 情況,其最大可同時點亮26 盞LED 燈。多孔中空球形振子較實心PDMS 球形振子,其開路電壓提升了135.05%,其點亮LED 的盞數增加了236.36%。多孔中空球形振子較全泡沫PDMS 球形振子,其開路電壓提升了119.66%,其點亮LED 的盞數增加了130%。由對比可看出,多孔中空球形振子可提高振子的帶電荷能力,并使兩端電極產生更大的感應電動勢。

圖6 采用不同結構球形振子的開路電壓Fig.6 Open-circuit voltage with different structures of oscillators

圖7 采用不同結構球形振子點亮LED 圖Fig.7 Lighting LED diagrams with different structures of oscillators

3 結論

利用一種低成本制備多孔PDMS 包覆層的技術,在球形TENG 的結構基礎上設計了一種全新的內部多孔振子結構,并結合有限元仿真軟件對該球形TENG的工作原理進行研究和討論。多孔中空球形振子可以有效增大“接觸分離+滑動摩擦”雙模式TENG 的電能輸出。通過對比實心PDMS 振子和全泡沫PDMS 振子組成的球形TENG,基于多孔中空球形振子的TENG 具有更高的開路電壓(84 V)和短路電流(13 μA)。本文提出的多孔中空球形TENG 結構有望用于制備低成本、高輸出的波浪能收集裝置。