Nano Energy: 飞秒激光直写,高性能摩擦纳米发电机
张弛/李晓炜团队 纳米人 2019-06-08

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第一作者:黄骥,付贤鹏,刘国旭

通讯作者:李晓炜,张弛

通讯单位:北京理工大学,中国科学院北京纳米能源与系统研究所,


研究亮点

1.    提出了一种利用飞秒激光直写加工微/纳复合结构的高性能摩擦纳米发电机。

2.    利用飞秒激光分别在铜和PDMS摩擦面直写加工了微/纳条形、微/纳角锥的“凸”结构以及不同大小微碗的“凹”结构。

3.    微/纳角锥的铜摩擦面和大尺寸微碗的PDMS摩擦面组成的摩擦纳米发电机具有最优的输出性能,输出功率提高了21倍。


背景介绍

随着微纳机电系统(MEMS/NEMS)功耗的不断降低,使得直接转化环境微机械能为微纳机电系统供能成为了可能。摩擦纳米发电机(TENG)是基于机械界面摩擦起电与静电感应耦合效应的新能源技术,在微纳能源、蓝色能源、高压源以及主动式传感等领域有着广泛的应用前景。在TENG的实用化进程中,各种微纳加工方法被用于提高TENG的输出性能。然而,等离子刻蚀、微-纳结构转印以及纳米颗粒掺杂等微/纳加工方法在加工效率、材料多样化以及成本等方面存在缺陷,不利于高性能TENG的大规模生产。


飞秒激光直写加工是利用飞秒激光超短周期和超高强度的特点,快速的在不同材料的表面或内部灵活的加工各种各样的微/纳结构,为微/纳结构的高效制备提供了一种灵活、通用的方法。飞秒激光可以加工的材料不局限于金属、聚合物、半导体以及生物组织等,满足了TENG对多样化摩擦副材料的需求。同时,飞秒激光直写加工的高效性也为高性能TENG的大规模生产提供了保障。


成果简介

近日,北京理工大学李晓炜教授团队和中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队设计了一种基于飞秒激光直写加工微/纳复合结构的高性能TENG。利用飞秒激光在TENG的两个摩擦面分别加工了微/纳条形、微/纳角锥的“凸”结构以及不同大小微碗的“凹”结构,利用“凸”结构和“凹”结构的相互配合,显著的提高了TENG的输出性能。图1展示了微/纳结构的制备过程以及TENG的电荷转移原理图。


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图1. 高性能TENG加工过程及工作原理示意图. a. 铜和PDMS表面微/纳结构制备流程图; b. TENG结构示意图; c. TENG电荷转移原理图

 

要点1. 不同微/纳结构在不同材料表面的高效制备

飞秒激光可以对金属、聚合物、半导体以及生物组织等多种材料进行微/纳加工,满足了TENG对多样化摩擦副材料的需求。本文利用飞秒激光在TENG的两个摩擦面分别加工了微/纳条形、微/纳角锥的“凸”结构以及不同大小微碗的“凹”结构,各种微/纳结构的形貌表征如图2所示。可以看出,各种微/纳结构形貌完整且具有良好的一致性。更重要的是,利用飞秒激光在8×8 mm2的PDMS表面加工微碗结构仅需要40 min,超快的加工速度为高性能TENG的大规模制造提供了保障。


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图2. 摩擦面微/纳结构形貌表征. a,d, g, j. 俯视的SEM图; b, e, h, k. 侧倾30°的SEM图; c, f, i,l. 3D表面轮廓图.

 

要点2. TENG输出性能的大幅度提升

通过研究具有不同微/纳结构TENG的输出性能表明,不同微/纳结构对TENG的输出性能均有一定程度的提高。如图3所示,微/纳角锥的铜摩擦面和大尺寸微碗的PDMS摩擦面组成的TENG具有最优的输出性能,相比于未加工微/纳结构的TENG,输出的开路电压、表面电荷密度分别提高了4.13和4.58倍。


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图3. TENG电输出特性研究. a, c, e. TENG输出开路电压、短路电荷量、短路电流波形图; b, d, f. TENG输出开路电压、表面电荷密度、短路电流总结图.

 

要点3. 卓越的负载性能和输出稳定性

相比于输出电压、电荷密度以及电流的提升, TENG输出功率的提升更为显著。如图4所示,TENG输出的瞬时功率提升有21倍之多。在整流以后,3 min可将1μF电容充电到4.73V。与此同时,在保证性能提升的前提下,TENG仍然具备优异的稳定性,在循环27000个周期后,输出开路电压仅下降2.6%。卓越的负载性能和输出稳定性拓展了TENG的应用领域。


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图4. TENG的负载特性研究. a. TENG电阻匹配曲线; b. TENG计算瞬时功率曲线; c. 1 μF电容充电曲线; d. 电容充电电压; e. TENG驱动LED灯; f. TENG稳定性测试.

 

小结

综上所述,本文提出了一种飞秒激光直写加工微/纳复合结构的高性能摩擦纳米发电机。利用飞秒激光在TENG的两个摩擦面分别加工了微/纳结构,显著的提高了TENG的输出性能。通过研究表明,微/纳角锥的铜摩擦面和大尺寸微碗的PDMS摩擦面组成的TENG具有最优的输出性能。相比于未加工微/纳结构的TENG,输出的开路电压、表面电荷密度分别提高了4.13和4.58倍。更重要的是,TENG的输出功率提高有21倍之多。该工作为高性能TENG的大规模制造提供了一种高效的微/纳加工方法,大大的加快了TENG的实用化进程。

 

参考文献:

Ji Huang1,Xianpeng Fu1, Guoxu Liu1, Shaohang Xu, Xiaowei Li*,Chi Zhang*, Lan Jiang. Micro/nano-structures-enhanced triboelectric nanogenerators by femtosecond laser direct writing. Nano Energy, 2019, 

DOI:10.1016/j.nanoen.2019.05.081

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519304872

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