上大李忠杰团队打造-优化新策略实现运动机械能的高效收集

来源:DeepTech深度科技

摩擦电纳米发电机(TENGs)是一种新型的能量收集和传感技术，利用摩擦电效应和静电感应原理将机械能转化为电能。

在物联网领域，TENGs有很大的潜力为低功耗电子产品供电或制备自供电传感器。与压电、电磁等其他常见的能量转换方式相比，TENGs具有更高的效率和灵活性。

在腾的四种基本工作模式中，滑动摩擦纳米发电机是其中之一。S-TENG因其选材广泛、制备工艺简单、成本低廉、易于封装结构而受到广泛关注。

但S-TENG也有一个显著的缺陷，就是上下两部分接触压力不足，会降低其能量收集性能和传感灵敏度。

TENGs的输出特性受机械结构和外部激励的影响很大。根据TENGs不同模式的输出功率、匹配电阻和能量转换效率随接触面积、膜厚、触发频率、水平力和位移距离变化的规律，文献进行了实验研究和理论分析。

基于等效电路模型和滕氏控制方程，人们还建立了S-TENG的基本输出特性理论。然而，外部预紧力对S-TENG电气输出性能的影响尚不明确，相关研究报道较少。

因此，探索外预紧力与S-TENG之间的机电耦合关系对优化其能量收集和传感性能具有重要意义。鉴于磁力是一种常用的外载荷方式，与其他受力方式相比，它可以作为一种简单的施加预紧力的策略。

因此，上海大学副教授李忠杰和他的合作者提出了一种在S-TENG中添加柔性磁性层的新方法，通过这种方法，他们研究了磁性预载对S-TENG机电耦合效应(MS-TENG)的影响。

通过引入磁预紧系数，建立了MS-TENG机电特性的理论模型。基于等效电路模型，分析了低速滑动时磁预紧力、负载电阻和滑动频率对MS-TENG输出性能的影响。

此外，他们验证了MS-TENG的输出性能与磁预载、负载电阻和滑动频率之间的关系，并与理论计算结果进行了比较。结果表明，它们具有良好的一致性。

综上所述，本研究揭示了磁预载对MS-TENG的作用机理，解释了磁预载和其他激励因素对MS-TENG输出性能的协同作用，为优化滑腾的能量收集和传感性能提供了有效途径。

(来源:先进功能材料)

图|李中杰(图片来源:李中杰)未来，他们打算基于这种磁预紧模型开展一些应用。由于磁性预紧力策略可以提高TENG的输出性能，研究小组计划通过在材料中添加磁粉来监测手指弯曲，从而制备一种基于该策略的TENG传感手套。其中，磁力预紧力策略可以提高滕传感手套的灵敏度，实现手指弯曲角度的高精度监测。

另据悉，李忠杰“科技创新行动计划”社会发展科技研究项目(400万元)入选2022年“上海市科技青年领军计划”。

据介绍，“科技创新行动计划”旨在解决海洋水下监测系统寿命有限且严重受限于自身携带能量的问题，采用自主捕获环境动能的方式，实现系统自主高效供能的总体思路。

本研究基于舞台非线性低频振动的能量采集机理、水轮机扭转振动海流方向的适应机理和能量传递机理，突破了时变海况和能量采集控制技术、基于Heweside方程的磁场高效机电转换技术、能量采集装置的组网和电源管理技术。旨在解决海洋环境中能量收集困难、电能传输效率低的国际难题，为海洋监测系统和工作环境开发高功率密度的自主供能系统。

目前，该系统已在国内某海域进行了测试，成功实现了利用不规则海洋环境的动能对监控系统进行全天候快速充电的功能，续航能力提升了至少100%，为海洋长时间运行效率提供了重要支撑。

此外，李忠杰还参与了“高科技赋能长江口二号古船水下考古”项目。他和他的团队研发的水下自供电水文信息监测系统，利用复杂的水下环境能量，实现了对挖掘现场强时变水文信息的长时间感知。

目前，研究组已在国际顶级期刊和国际顶级会议上发表SCI/EI论文30余篇，授权发明专利30余项。

参考资料:

1.张，秦，沈，冯，曹，龚，王，李，...& amp郭，H. (2023)。具有磁性预应力的滑动模式纳米发电机的机械摩擦电转换。先进功能材料，2301655。

排版:Doakes

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