柔性MWCNTs-PDMS复合电极对转式摩擦电-电磁混合纳米发电机用于高效风能收集

《Polymers》：The Flexible MWCNTs-PDMS Electrode-Based Counter-Rotating Hybrid Triboelectric–Electromagnetic Nanogenerator for Effective Wind Energy Harvesting

　　

风能是最丰富和可持续的可再生能源之一。然而，由于风速波动和多方向气流，其高效利用仍具挑战性。本研究开发了一种双转子混合摩擦电-电磁能量收集器（H-TENG），采用柔性多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（MWCNTs/PDMS）复合电极，以提高风能收集效率。研究人员系统研究了电极材料和转子构型对器件电输出的影响。与传统的铜电极相比，柔性MWCNTs/PDMS复合电极在风速6 m s-1下使摩擦电单元的峰值输出功率提高了46.1%，而双转子构型相对于单转子设计进一步将峰值输出功率提升了约195.6%。为了克服摩擦发电机有限的短路电流输出，研究人员将电磁发电机集成到混合系统中。优化后的器件实现了摩擦纳米发电机（TENG）最大开路电压1212.34 V和电磁发电机（EMG）最大短路电流13.64 mA的输出。收集的能量足以持续为一款数字手表和240个发光二极管（LED）供电。本研究为高性能混合风能收集器提供了一种有效的材料-结构协同策略，并为低速和多方向风能的收集提供了一种有前景的方法。

研究背景、现存问题与研究意义

风能是一种分布广泛、储量丰富的可再生清洁能源。然而，传统电磁式和压电式风能收集器通常存在结构笨重、制造成本高以及在低速风条件下能量转换效率低等问题。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）因其轻量化、结构简单、成本低廉以及对低频机械运动适应性好等优势而受到广泛关注。然而，现有的旋转驱动式TENG在低风速下的峰值输出功率和短路电流仍然不足以直接驱动实际电子设备。此外，大多数报道的研究要么侧重于材料优化，要么侧重于结构改进，而对柔性导电电极、高效旋转架构和短路电流增强策略的协同整合关注较少。因此，亟需通过材料选择和结构设计的同步优化，开发一种高性能的混合风能收集系统。

研究内容与结论

为解决上述问题，研究人员开发了一种混合摩擦电-电磁风能收集器（H-TENG），通过将柔性MWCNTs/PDMS复合电极与内外对转架构相结合，以实现高效的风能收集。该研究系统地探究了电极材料和转子构型对电输出性能的影响。结果表明，柔性MWCNTs/PDMS复合电极相较于传统铜电极，在6 m s^-1风速下使TENG的峰值输出功率提升了46.1%；而内外对转的双转子构型相较于单转子设计，进一步将峰值输出功率提升了约195.6%。通过集成电磁发电机（EMG），有效弥补了TENG短路电流较低的不足。优化后的H-TENG实现了TENG最大开路电压1212.34 V和EMG最大短路电流13.64 mA。该器件成功点亮了240个商用LED并为一款数字手表持续供电，验证了其实用供电能力。

关键技术方法

1. 1.
   材料制备：通过溶液辅助分散和刮涂工艺制备了不同MWCNT含量（4、6、8、10 wt%）的柔性MWCNTs/PDMS复合电极。
2. 2.
   器件制造：使用3D打印技术（PLA材料）制造了H-TENG的框架。外转子为空心圆柱结构，内表面粘贴PET薄膜并均匀布置柔性复合电极和PTFE摩擦层；内转子为锥形结构，插入PA薄膜作为另一摩擦层。内外转子分别安装上下集风组件，实现反向旋转。EMG由嵌入旋转套筒内的永磁体和固定在中心轴周围的铜线圈构成。
3. 3.
   表征与测试：使用场发射扫描电子显微镜（SEM）表征MWCNTs/PDMS纳米复合材料的形貌。采用商用风速计监测风速，并使用数字万用表记录电输出信号。利用COMSOL Multiphysics有限元法模拟了TENG工作过程中的电势分布。

研究结果

3.1 电极材料对TENG输出性能的影响

研究人员通过固定外转子、由可控气流驱动内转子，在5 m s^-1风速下评估了不同MWCNT含量的柔性电极对TENG电输出的影响。结果显示，电输出强烈依赖于MWCNT含量，并在6 wt%时达到最佳，对应开路电压465.02 V。这是因为6 wt%的MWCNTs/PDMS电极在导电性和机械柔韧性之间取得了良好平衡。与铜电极对比，柔性复合电极的峰值输出功率提升了约46.1%，归因于弹性PDMS基体增强了界面贴合度，同时互连的MWCNT导电网络提供了高效的电子传输路径。

3.2 结构参数对H-TENG电性能的影响

研究人员系统优化了PA膜厚度、PA膜宽度和内转子数量。结果表明：

• •
  PA膜厚度：在0.2 mm厚度时获得最高输出（开路电压1495.49 V，短路电流0.71 μA），因为该厚度在柔韧性和结构稳定性间取得平衡。
• •
  PA膜宽度：在60 mm宽度时性能最优，此时有效接触面积最大化且未增加过多转动阻力。
• •
  内转子数量：五个内转子时输出最佳，增加了有效接触面积和接触频率，但六个转子会因额外质量和摩擦降低转速。

3.3 EMG结构参数优化

为补偿TENG的低电流输出，研究人员优化了EMG的磁铁数量和磁铁-线圈距离：

• •
  磁铁数量：六个磁铁时电输出最高，增加了磁通量变化频率，但八个磁铁会增强磁相互作用和转动阻力。
• •
  磁铁-线圈距离：距离越小（6 mm），磁场强度越强，感应电动势越大，输出越高。

3.4 对转架构的优势

研究人员发现，在4-10 m s^-1风速范围内，双转子系统的相对转速从110 rpm增加到287 rpm。与单转子模式相比，双转子系统在相同条件下的峰值输出功率提升高达约195.6%，证实了对转架构有效提高了摩擦层间的相对滑动速度。

3.5 全向风能收集能力

在4、5、6 m s^-1风速下，改变风向（0-360°，步长30°）进行测试。结果显示，TENG的开路电压稳定在≈1214.79–1229.23 V，EMG稳定在≈0.47–0.51 V，表明器件具有良好的全向风能收集能力。

3.6 负载匹配与储能特性

在6 m s^-1风速下测试不同外部负载电阻。TENG在约500 MΩ负载下达到峰值功率671.64 μW，EMG在约47 Ω负载下达到峰值功率265.66 μW。在充电测试中，TENG能在5秒内将10 μF电容充至1 V以上，EMG能在0.7秒内将100 μF电容充至0.5 V以上。

3.7 应用演示与稳定性

H-TENG成功点亮了240个商用LED，并通过整流电路和33 μF电容持续为一款数字手表供电。在6 m s^-1风速下进行的60小时连续稳定性测试（约6.048×10⁵次相对旋转周期）中，未观察到明显的电输出衰减。

讨论与结论

本研究开发了一种结合柔性MWCNTs/PDMS复合电极和内外对转架构的混合摩擦电-电磁风能收集器（H-TENG）。通过柔性导电复合电极、对转双转子构型和混合能量转换机制的协同整合，同时改善了界面接触状态、相对滑动速度和电流输出，显著提升了整体能量收集性能。系统参数优化表明，在MWCNT含量6 wt%、PA膜厚度0.2 mm、PA膜宽度6 cm和五个内转子的条件下可获得最佳电输出。在此优化条件下，TENG达到最大开路电压1212.34 V，EMG达到最大输出电流13.64 mA；与常规铜电极和单转子构型相比，柔性MWCNTs/PDMS电极和对转结构分别使TENG的峰值输出功率提升了约46.1%和195.6%。该混合能量收集器在60小时连续测试中表现出优异的运行稳定性，并成功为240个商用LED和一个数字手表供电，展示了其实际供电能力。本研究为高性能风能收集提供了一种有前景的材料-结构协同策略，并为分布式自供能系统和可持续环境能量收集提供了一种可行方案。