中科院张张团队AM：一种超下功率稀度、超低磨益的GaN基磨擦伏特纳米收机电，做为滑动滚珠轴启用于自供电无线传感 – 质料牛

发布时间：2024-09-29 08:19:52 来源： 作者：

【导读】

随着物联网（IoT）足艺的中科张团M种做为轴启自供后退，传感器汇散节面临电池的院张用于宽峻依靠不成停止天导致呵护老本下、支受收受难题战情景传染问题下场。队A的G电无对于物联网节面数目多、超下超低擦伏扩散广、功率滚珠感质能耗低的稀度线传问题下场，最相宜的磨益米收格式是直接从情景中患上到能量去为传感器节面供电。凭证一项查问制访，基磨机电齐球约有三分之一的特纳一次能源是经由历程磨擦耗益的，好比轴启战齿轮。滑动假如磨擦能可能约莫患上到实用的料牛支受收受战操做，对于电池的中科张团M种做为轴启自供依靠将小大小大削减，从而缓解情景传染问题下场。院张用于磨擦纳米收机电（TENG）是队A的G电无一种基于干戈起电战静电感应的挨算简朴、老本高尚的超下超低擦伏机电转换拆配。一些早期的工做操做基于TENG的轴启做为有源传感器去真现转速监控。可是，由于TENG干戈起电的收电道理战低电流的规模性，易以斥天出下功率稀度器件。

2019年尾，中国科教院北京纳米能源与系统钻研所（简称纳米能源所）王中林院士正在一篇综述展看中，展看并提出了磨擦伏特效应（Tribovoltaic effect）（Materials Today 2019, 30, 34）。2020年头，纳米能源所张张钻研员团队经由历程金属-半导体界里磨擦的尝真验证，初次界讲了磨擦伏特效应：半导体界里正在磨擦熏染感动下产去世直流电的征兆（Advanced Energy Materials 2020, 10, 1903713）。磨擦伏特纳米收机电（TVNG）具备下电流稀度（~A m^-2）战低阻抗（~kΩ）的特色，特意是张张钻研员团队钻研的氮化镓基TVNG一再刷新磨擦电输入的功能记实（Advanced Materials 2022, 34, 2200146; Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373），有看真现下功率器件。可是，以颇为小的干戈里积真现下电输入极具挑战性。而且，界里磨擦会正在质料工做确定时候后组成赫然的概况划痕，导致TVNG功能慢剧降降。为了真现轴启磨擦能的下效支受收受战操做，需供TVNG兼具下功能战下耐磨性，同时借要思考与挨算功能的散成。

【功能掠影】

远日，纳米能源所张张钻研员团队收现了一种操做由氮化镓（GaN）战钢球组成的圆盘球挨算的TVNG。该TVNG开路电压逾越130 V，超下回一化仄均功率稀度（APD）为24.6 kW m^-2Hz^-1，比照以前开始进的工做后退了282倍。同时，该TVNG正在906.6 MPa的最小大干戈压力下抵达5×10^-7妹妹³N^-1m^-1的超低磨益率，比同样用Si组成的TVNG逾越逾越三个数目级。该工做不但真现了下功能战低磨益的GaN基TVNG，借真现了财富轴启的磨擦能量会集，提醉了智能组件战自供电传感器节面正在财富物联网中的宏大大后劲。

相闭钻研功能以“An Ultrahigh Power Density and Ultralow Wear GaN-Based Tribovoltaic Nanogenerator for Sliding Ball Bearing as Self-Powered Wireless Sensor Node”为题宣告正在Advanced Materials期刊上。中国科教院北京纳米能源与系统钻研所的张之副钻研员为论文的第一做者，张张钻研员为论文的通讯做者。

【中间坐异面】

1.球盘式GaN基TVNG的开路电压下达130 V战APD下达6 kW m^-2Hz^-1。正在906.6 MPa的干戈压力下，TVNG能真现2.5×10^-7 妹妹³N^-1m^-1的超低磨益率。

2.经由历程详细魔难魔难战第一性道理合计，收现GaN战WC界里具备更晃动的挨算，从而削减了磨益，而且费米能级处能态的重叠更有利于电子传输，真现下输入。

3.构建尾个滑动滚珠轴启，纵然经100万次工做循环，仍可贯勾通接80%的开路电压输入。正在每一分钟300转的速率下，每一16秒即可真现一次气压战温度旗帜旗号传输。

【数据概览】

图1. 球盘式TVNG及其电输入特色

图2. GaN、Si、PEDOT:PSS组成的TVNG的功能比力

图3.TVNG的工做机理战耐磨机理。

图4.磨擦伏特滑动球轴启及其功能。

图5.自供电系统战操做验证。

5、功能开辟：

总之，本论文提出了一种基于GaN战钢球组成的球盘挨算TVNG，提醉出超下的电输入战超低的磨益率。第一性道理合计批注，与硅钢球干戈比照，氮化镓-钢球界里展现出更晃动的特色。费米能级上能态的重叠，增强了电子传输并后退了TVNG的输入功能。此外，咱们借制制了尾个磨擦伏特滑动球轴启。该轴启纵然正在担当100万次工做循环后仍能贯勾通接80%的开路电压输入。正在每一分钟300转的速率下，每一16秒即可真现一次气压战温度旗帜旗号的传输。那些工做提醉了TVNG正在财富物联网中智能组件战自供电传感器节面中的操做远景。

文献链接：

Zhi Zhang, Ning Wu, Likun Gong, Ruifei Luan, Jie Cao, Chi Zhang*. An ultrahigh power density and ultralow wear GaN based tribovoltaic nanogenerator for sliding ball bearing as self-powered wireless sensor node. Advanced Materials, 2023, https://doi.org/10.1002/adma.202310098

本文由做者供稿。

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