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交大电院杨卓青研究员与中科院王中林院士合作在摩擦纳米发电理论研究中取得重要进展

近日,上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系杨卓青研究员团队与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队合作,把摩擦纳米发电理论延伸到有磁性的材料中。基于麦克斯韦方程组,首次从理论上推导并证实了磁化效应对摩擦纳米发电机(TENG)输出的贡献,使其与现有的极化效应构成更为统一的理论体系,相关论文“Contribution of ferromagnetic medium to the output of triboelectric nanogenerators derived from Maxwell’s equations”在线发表于国际著名期刊《Advanced Energy Materials》(影响因子:25.245)。

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摩擦起电是生活中最常见的物理现象,自2012年由王中林院士发明摩擦纳米发电机以来,摩擦发电已逐渐成为环境能源收集的主流技术之一。此外,随着物联网的蓬勃发展,其需要分布广泛的各类传感器,以用于健康监控,医疗保健和环境保护等。目前,传统的供能技术仍是采用电池,但是寿命有限,高的维护成本和环境问题等使其不适合作为基于物联网技术的供能策略。因此,迫切需要开发基于发电机的自供电系统以满足能源收集和器件传感的需求。摩擦纳米发电机耦合了接触带电和静电感应,由于其优异的输出特性,可有效收集低频、杂乱无章的散落能量,而且效率高和成本低,目前已在多个领域得以广泛应用,如微纳能源、自驱动传感和蓝色能源等。

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图1 摩擦纳米发电机的工作原理示意图

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图2 纳米发电机作为微/纳能源、用于蓝色能源和自供能传感器的主要应用领域

该研究基于对麦克斯韦方程组的理论推导,预测了空间变化的磁场对摩擦纳米发电机位移电流的影响,并重新定义和解释了摩擦纳米发电机的输出特性。研究表明,除了极化效应,磁化效应也可以对摩擦纳米发电机的输出产生重要影响,这是从摩擦纳米发电机诞生以来,首次发现磁效应对其输出特性的贡献。研究还在实验上研制了基于铁磁介质的单电极TENG,表明基于铁磁电极TENG的电学输出要明显高于基于非铁磁电极TENG。研究还发现TENG的输出行为与外部磁场环境密切相关,从而进一步验证了所提出的TENG相关理论分析。

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图3 摩擦纳米发电机的科学起源及其基础理论在磁性材料中的延伸

该研究工作是对现有TENG基础理论研究必不可少的补充,将有助于构建一个完整而统一的理论体系,并将为摩擦电器件的理论机理提供深刻的理解和有意义的指导。

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图4 基于麦克斯韦方程组的铁磁介质增强TENG输出特性的机理分析

上海交通大学为上述工作第一完成单位,电子信息与电气工程学院博士研究生李亚辉为该论文的第一作者。上海交通大学杨卓青研究员、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、张弛研究员为该论文共同通讯作者。

论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003921

微纳电子学系
电子信息与电气工程学院
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