广西大学刘官林团队Adv. Sci.：用于全海域的高效波浪能采集的半米级摩擦纳米发电机

第一作者：冯军瑞

通讯作者：刘官林副教授

通讯单位：广西大学 物理科学与工程技术学院

论文DOI：10.1002/advs.202204407

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基于麦克斯韦位移电流的摩擦纳米发电机(TENG)可有效将高熵低值的机械能转换为电能，且具有易制作、经济、质量轻、高效等特点，适用于大规模波浪能的采集。近几年，用于收集海浪蓝色能量的摩擦纳米发电机（TENG）正在蓬勃发展，但所提出的采能器件常常局限于厘米级的尺度，对于海上在米级别的波浪波长而言，或不利于波浪能采集。近日，广西大学刘官林副教授团队首次将用于海洋波浪能收集的TENG推进到0.5米，并获得了1.03 cm-1出色的摩擦面体密度。采用独特的多拱形结构，解决了如何充分获得良好的摩擦层接触的困难。内部钢板垂直放置在每个TENG块的中心，即使在7°的倾斜角度下也能够激活TENG以实现良好接触，所提出的半米级的HM-TENG还具有高波浪响应能力、抗倾覆能力、自回复能力等特点，可适应全天候、宽带海波浪能量收集。此外，基于HM-TENG还告捷应用于射频信号发射器。这项工作向近米尺度的外壳迈出了第一步，为大规模波浪能收集提供了新的方向。

背景介绍

蓝色能源被认为是最要害的可再生清洁能源之一，如何合理高效地收集它已成为全球研究人员关注的焦点。据估计，海洋表面有超过75TW的波浪能，其中的万分之一足以满足人类生活和生产的需求。如果这种蓝色能源能够有效收获和利用，它将对海洋勘探、海况监测、深海作战、海基防御和军事领域产生重大革命性变化。在过去的几十年里，电磁发电机（EMG）技术已经实现了海洋中波浪能的收集。然而，*土稀**矿石是EMG中常用的永磁体的原料，重量大，成本高，容易腐蚀，它可能不合适大规模收集低频高熵和随机振幅的波浪能。

针对这一挑战，半米级摩擦电纳米发电机（HM-TENG）首次被提出用于采集水波能。HM-TENG的短路转移电荷达到67.2 μC，是波浪能TENG半周期的最高输出。采用多拱型的独特结构，配备垂直中心钢板，提高空间利用率，解决分离问题。两侧的大摩擦层通过钢板的运动被挤压，实现有效的接触和分离。7°的轻微倾斜能够使堆叠的摩擦层从低频接触、分离到高频（0.1Hz~2Hz），并获得良好的输出性能。每个TENG单元的平均传输电荷为2.4μC（HM-TENG中的28个TENG单元为67.2μC），最大开路电压为368 V，短路电流为18μA。扁平球壳设计是由中间的圆柱体和顶部和底部的两个扁球壳构成，可对海浪更敏感，即使被倾覆也不会失去最佳输出状态。基于HM-TENG的超高输出，告捷为射频信号发射器供电，揭示了其在海洋领域的应用价值。有了这些能力，我们预计这项工作可能会颠覆传统小型TENG的设计思维，并为设计和应用大型TENG实现蓝色能源梦想提供一些策略。

本文亮点

1. 提出了目前尺寸最大的波浪能TENG器件并进行了系统测试。

2. 所提出的器件具有1.03 cm-1的超高摩擦面积体密度，并具有高波浪响应能力、抗倾覆能力、自回复能力。

3. 为高效能波浪能摩擦纳米发电机的发展开辟了新思路新方法。

图文解析

图1. HM-TENG的装配示意图、原理图以及愿景图（在旷阔的海域，为岛屿上的建筑和海上漂浮物供电）。

图2. 在倾覆角度15°、0.5Hz的频率激励下，电输出数据被绘制成 3D 图形。2个 2D 图对应于1个 3D 图，显示了不同考量下输出性能对比。选出单元宽度4cm、钢板厚度3mm的最佳组合。此时电压368V、转移电荷量2.4μC、电流18μA。

图3. 各图依次展现了TENG单元的输出随角度的倾斜的变化趋势；单元输出的每一角度的电输出变化率；单元输出在倾覆角10°下，随频率的变化趋势；负载功率图；不同旋转角度下的输出雷达图；给三种电容充电的电压曲线图。

图4. 将HM-TENG等比例缩小到直径25cm的QM-TENG，二者进行下水测试，从反映频率、受力大小、电容充电曲线（同一TENG单元）、材料使用量方面进行对比。HM-TENG表现了它的优越性。与其他工作相比，HM-TENG具有超高的摩擦面积密度1.03 cm-1。28个单元的转移电荷量在2.4μC附近。

图5. 展现了HM-TENG的实际应用，它告捷地驱动了信息发射模块、温湿度计、电子表与电子计算器。同时它拥有卓越的耐久性。

总结与展望

我们首次设计和制造半米级别波浪能摩擦纳米发电机器件，其具有更高的壳尺寸、摩擦层密度和转移电荷。此外，它还显示出其在水波能收集、稳定性和经济效益方面更大的潜力。一方面，讨论了不同结构参数（板厚、间距）与TENG单元输出之间的关系。另一方面，TENG单元的启动角小至7°（单个单元输出电荷也达到1.6μC），证明了其高灵敏度和在整个海域收集全天候波浪能的可行性。基于这些优异的性能，HM-TENG能够驱动各种电子设备，例如射频模块。本研究提出了海上发电厂生产的TENG的新结构设计，可能会促进对大型波浪能TENG的新研究。

第一作者介绍

冯军瑞 ，2018年毕业于太原理工大学，获勘查技术与工程专业学士学位；2020-2022年在广西大学攻读物理学硕士学位。主要从事纳米发电机及其相关课题的研究。

通讯作者介绍

刘官林 ，理学博士，副教授，本硕博毕业于重庆大学（2019年）。2020.01-至今 广西大学，副教授；2017.10-2019.03 美国佐治亚理工学院访问学者。主要从事摩擦纳米发电机的研究，在Advanced Energy Materials, Nano Energy, Advanced Science, Nature Communications, Science Robotics等知名期刊发表论文四十余篇，H因子25，被引2200+次，其中以第一作者/通讯作者发表论文16篇。