“能量”上大李忠杰团队打造S-TENG优化新策略，实现运动机械能的高效收集

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来源：DeepTech深科技

摩擦电纳米发电机（TENGs，Triboelectric nanogenerators）是一种利用摩擦带电效应和静电感应原理，将机械能转换为电能的新型能量收集和传感技术。

在物联网领域，TENGs 具有为低功率电子产品供电或制备自供电传感器的巨大潜力，相比其他常见的能量转换方法比如压电和电磁，TENGs 具有更高的效率和灵活性。

在 TENGs 的四种基本工作模式中，滑动式 TENG（S-TENG，Sliding Triboelectric nanogenerators）是其中之一。S-TENG 以材料选择广泛、制备工艺简单、成本低廉和结构易于封装等优势而受到广泛关注。

然而，S-TENG 也存在着一个显著缺陷，即上下部分的接触压力不足，这会降低其能量收集性能和传感灵敏度。

TENGs 的输出特性受到机械结构和外部激励的重要影响。针对不同模式 TENGs 的输出功率、匹配电阻和能量转换效率，随接触面积、膜厚度、触发频率、水平力和位移距离等因素变化的规律，已有文献开展了实验研究和理论分析。

基于等效电路模型和 TENGs 的控制方程，人们也建立了 S-TENG 的基本输出特性理论。然而，外部预紧力对 S-TENG 的电输出性能的影响尚不明确，已得到报道的相关研究也比较少。

因此，深入探究外部预紧力与 S-TENG 的机电耦合关系，对于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部载荷方式，相比于其他作用力方法，它可以作为施加预紧力的一种简便策略。

为此，上海大学副教授李忠杰和合作者提出一种在 S-TENG 中外加柔性磁层的新方法，借此他们研究了磁预紧力对于 S-TENG 机电耦合效应（MS-TENG，Mechnosensational TENG）的影响。

通过引入磁预紧力系数，课题组建立了 MS-TENG 的机电特性理论模型。基于等效电路模型，分析了磁预紧力、负载电阻和滑动频率对 MS-TENG 在低速滑动下的输出性能的影响规律。

进而，他们验证了 MS-TENG 的输出性能与磁预紧力、负载电阻和滑动频率之间的关系，并与理论计算结果进行对比，结果表明两者具备良好的一致性。

概括来说，本次研究揭示了磁预紧力在 MS-TENG 上的作用机制，对于磁预紧力与其他激励因素在 MS-TENG 上的输出性能上的协同效应加以说明，为优化滑动式 TENG 的能量收集和传感性能提供了一种有效途径。

上海大学博士生章钦是第一作者，上海大学李忠杰副教授和张泉副教授、以及重庆大学郭恒宇教授担任共同通讯作者 [1]。

未来，他们打算基于这款磁预紧力模型开展一些应用。由于该磁预紧力策略可以提高 TENG 的输出性能，因此课题组拟通过在材料中添加磁粉的方法制备一个基于此策略的 TENG 传感手套，以用于监测手指弯曲。其中，磁预紧力策略能够提高 TENG 传感手套的灵敏度，实现对手指弯曲角度的高精度监测。

另据悉，李忠杰承担的“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（400 万元），曾于 2022 年入选“上海科技青年 35 人引领计划”。

据介绍，“科技创新行动计划”旨在针对海洋水下监测系统续航时长有限、且严重受制于自携能源的问题，采用自主俘获环境动能的方式，为系统实现自主高效供能的总体思路。

这项研究基于阶段非线性低频振动俘能机制、以及涡机扭振洋流流向自适应机理和能量传递机制，突破了时变海况与俘能控制技术、基于赫维赛德方程的磁场高效机电转化技术、以及俘能器件组网与电能管理技术，目的是希望解决海洋环境能量收集难、电能传递效率低的国际难题，研制面向海洋监测系统与作业环境的高功率密度自主能-供能系统。

目前，该系统已经在国内某海域场进行海试，成功实现了利用海洋无规则环境动能对监测系统进行全天候快速充电的功能，续航时间提高至少 100%，为海洋超长时作业效能提供了重要支撑。

此外，李忠杰还曾参与“高科技赋能长江口二号古船水下考古”的项目。他和团队研制的水下自供能水文信息监测系统，利用现场水下复杂水环境能源，实现了对发掘现场的强时变水文信息的超长时感知。

目前，该课题组已经在国际顶刊和国内外顶会上累计发表 SCI/EI 论文 30 余篇、获授权发明专利 30 余项。

参考资料：

1.Zhang, Q., Shen, F., Cao, C., Gong, Y., Wang, B., Li, Z., ... & Guo, H. (2023). Mechano‐Triboelectric Transduction of Sliding‐Mode Nanogenerators with Magnetic Pre‐Stress.Advanced Functional Materials, 2301655.

排版：朵克斯

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