研究目的
设计、制造并表征一种结合压电与摩擦电效应的混合纳米发电机，旨在高效收集环境机械能以支持自供电电子系统。
研究成果
该混合纳米发电机展现出显著的协同性能提升，其输出电压和功率密度均高于单一组件。它能高效收集机械能、快速为电容器充电，并凭借超过20万次循环的长期稳定性，展现出在自供电可穿戴电子设备中的应用潜力。
研究不足
直接连接组件而无需整流器时，设备性能可能因内部阻抗不匹配和元件间相位差受到限制，这可能导致电压抵消。优化材料和制造工艺可进一步提升输出功率与耐用性。
有机/无机纳米结构材料在混合纳米发电机中的集成，通过相互性能增强实现了高效的能量收集。
DOI：10.1016/j.nanoen.2019.01.023
期刊：Nano Energy
出版年份：2019
更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要：
最新研究表明，混合能量收集装置能高效转化无处不在但大多未被利用的环境能源（如机械能、化学能、热能、太阳能）为可用电能，从而为新一代自供电电子系统提供潜在支持。本文提出一种基于垫片基板的有机/无机混合纳米发电机，其整合了分别基于无机p-n结ZnO纳米结构（压电组件）和纳米结构有机聚四氟乙烯（PTFE）薄膜（摩擦电组件）的两种功能单元。该设计中各组件可独立或协同运行，且在协同工作时性能相互增强，能在单次按压释放循环中实现更高效的机械能-电能转换。当受到25Hz频率、1G加速度外力触发时，压电纳米发电机（PENG）组件的峰峰值输出电压达34.8V（约为单独运行时的3倍）；同条件下摩擦电纳米发电机（TENG）组件的峰峰值输出电压为356V（高于其单独运行时的初始输出280V）。该混合配置纳米发电器件可产生平均峰值输出电压186V、电流密度10.02μA/cm2及平均峰值功率密度1.864mW/cm2。实测显示：置于腕带式健身追踪器下方时，该器件能通过正常手部运动产生约160V的平均峰峰值电压；置于步行者鞋内时则可通过人体行走产生约580V电压。实验已证明该装置可在数秒内将商用电容器充电至数伏电压。
作者：
Alam Mahmud，Asif Abdullah Khan，Shariful Islam，Peter Voss，Dayan Ban
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