近日，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室郭益平课题组在高性能压电-摩擦电混合式机械能采集器件研究中取得重要进展，该器件可成功驱动智能手环，并实现心率监测和无线数据传输，其2*2阵列则可以实现为超级电容器与锂电池充电，该项工作为设计开发新型混合式能量采集器件提供了新的思路，可满足智能道路、可穿戴电子自动供电及波浪能采集的应用要求。研究成果以“Design of high-performance triboelectric-piezoelectric hybridized mechanical energy harvester inspired by three-phase asynchronous generator”为题发表在高水平期刊Nano Energy上。
纳米发电机基于压电或摩擦电等效应来采集自然环境中丰富的机械能。然而，现阶段纳米发电机的能量利用效率与输出性能仍较低，严重制约其应用场景。混合式纳米发电机利用多种能量转换原理不仅可以解决器件能量效率低的问题，而且可用于开发小型化、集成化的能量采集器件。但是，高效集成混合纳米发电机开发难点在于能量采集单元的集成架构，激励载荷的有效传递和分布，匹配的功率电路和能量利用方案。受三相异步发电机出色的空间利用率与可靠性启发，该研究开发了一种高性能压电-摩擦电混合式机械能采集器件（HMEH），高效集成了摩擦电组件与压电组件，器件结构紧凑、体积小巧（6.1 × 3.1 × 0.3 cm3），并设有三个输出端口与三相全波整流电路匹配。该器件可在低频激励（50 N，0.5 Hz）下，输出开路电压810 V和短路电流0.65 mA，当激励频率增至4.0Hz时，短路电流可达1.1 mA。HMEH器件耐受40000次接触分离激励循环测试无器件失效，表现出优异的耐用性和可靠性。器件的最大功率密度达到1.02 mW·cm-2，超过了大多数同类型器件。通过构建2 × 2的HMEH阵列，短路电流可进一步提升至~4 mA。
图1 HMEH结构设计与输出性能(a) 三相发电机及其供电系统示意图。(b) 混合式机械能采集器示意图。(c) HMEH装置与三相全波整流器实物图。(d, e) HMEH低频输出性能。(f, g) HMEH与同类型接触分离式混合纳米发电机的性能对比。
图2 HMEH适配功率电路(a) HMEH结构示意图。(b) HMEH三个输出端口的对地电势。(c) HMEH的N1与N2端口输出性能。(d) HMEH的N1与N3端口输出性能。(e) HMEH的N2与N3端口输出性能。(f) 采用三相半波整流电路与全波整流电路的输出性能对比。
图3 HMEH工作机理与器件耐用性(a) HMEH工作机理示意图。(b) HMEH的应力分布与电势分布模拟结果。(c) HMEH经40000次接触分离循环测试结果。
图4 HMEH功率特性(a) 摩擦电组件的峰值输出功率。(b) 压电组件的峰值输出功率。(c, d) HMEH分别在0.5 Hz与4.0 Hz激励下的峰值功率与平均功率。(e, f) HMEH驱动电子手表的电压-时间曲线。(g, h) HMEH分别驱动计算器与便携式收音机的电压-时间曲线。(i) HMEH无需储能电容驱动电子手表的电压-时间曲线。
图5 基于HMEH阵列的能量利用方案(a) HMEH阵列示意图。(b) 阵列器件的短路输出电流。(c) HMEH阵列为10 mF电容器充电时的电压-时间曲线。(d, e) HMEH驱动智能手环的电压-时间曲线，智能手环结构示意图与心率监测结果。(f, g) HMEH阵列为超级电容器充电的电压-时间曲线，并进一步储存至充电宝中。(h) HMEH阵列为锂电池充电的电压-时间曲线。
图6 HMEH应用拓展(a) 结合HMEH的智能道路获取过往车辆机械能示意图。(b) 结合HMEH的可穿戴电子采集生物机械能示意图。(c) 结合HMEH的智能海洋防护装置，收集海洋潮汐引起的机械能示意图。
材料科学与工程学院博士生郑智鹏为论文第一作者，郭益平教授与陈玉洁副教授为共同通讯作者。该成果得到了上海市科委基础研究专项（20JC1415000）、上海交通大学“深蓝计划”重点项目（SL2022ZD103）和国家重点研发专项（SQ2022YFA1200129）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108236
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