近年来，随着物联网的快速发展，为分布式传感器供电已成为一项严峻的挑战。在各种分布式自然能源中，机械能因其在日常生活中的广泛分布而被认为是最适合自供电系统的能源之一。作为分布式能源收集的有效方法之一，三电纳米发电机（TENG）可以收集微小的机械能并将其转化为电能。TENG 具有工作频率低、重量轻、成本低等优点，是实现自供电环境监测的可行方法之一。目前，针对不同的工作场景，TENG 已开发出四种不同的工作模式，包括垂直接触分离模式、单电极模式、平面滑动模式和独立模式。其中，除接触分离模式外，其他三种工作模式均基于摩擦层在界面上的相对滑动。在平面滑动模式下，TENG大多采用硬接触滑动摩擦。这种模式会导致摩擦层材料的严重损失，并严重限制TENG设备的耐用性。旋转滑动模式三电纳米发电机（TENG）提供了高效、连续和高输出的低频机械能采集策略。然而，由于滑动过程中的材料磨损导致耐用性差，限制了其实际应用。
来自重庆大学的学者提出了一种新型铁磁金属颗粒三电纳米发电机（FMP-TENG），它利用颗粒的无限点接触滚动运动代替薄膜的平面接触，从而提高了TENG 的耐用性。此外，由于铁磁金属微粒的接触面积得到了广泛增强，FMP-TENG 的电输出得到了改善，电荷密度达到 103 μC m-2，峰值功率密度为 400 mW m-2Hz-1。经过 10000 次循环磨合后，FMP-TENG 表现出卓越的耐久性，在 110 000 次循环磨合后仍能保持 97% 的输出电荷。此外，本研究还设计了一种基于 FMP-TENG 的金属粉末质量传感器，可在动态机械平台中有效检测铁磁性金属粉末的质量变化。本文提出了一种新型策略，以解决滑动 TENG 在实际应用中的耐用性问题。相关文章以“High Durable Rotary
Triboelectric Nanogenerator Enabled by Ferromagnetic Metal Particles as a
Friction Material”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202306491
图 1.FMP-TENG 的结构和工作机理。a) FMP-TENG 的结构图 b) 定子照片 c) 旋转过程中铁磁金属颗粒的分布状态 d) FMP-TENG 的工作机制 e,i) 金属颗粒的水平和垂直力分析图。
图 2. 材料对 FMP-TENG 输出的影响。a) 使用不同负三电材料时 FMP-TENG 的输出电荷和电流；b) 不同金属颗粒与 FEP 薄膜摩擦时的输出电荷和电流；c) 不同钴颗粒大小时的输出电荷和电流；d) 不同质量钴颗粒时 FMP-TENG 的输出电荷和电流；e) 钴颗粒从稳定工作到雪崩的工作状态；f) 钴颗粒的显微照片；g) 不同大小颗粒的混合示意图。FMP-TENG 的输出电荷和电流 h) 150 μm 颗粒中填充了不同大小的钴颗粒；i) 150 μm 钴颗粒中添加了不同质量的钴颗粒（106 μm）。
图 3. a) 不同转速下的输出电流、b) 电荷和 c) 电压。d) FEP表面的磁场模拟：i) 在固定距离的不同磁感应强度下；ii) 在固定磁感应强度下，磁铁到定子上 FEP 薄膜的不同距离。h) FMP-TENG 在 120 k 周期内的耐用性。
图4. a) FMP-TENG 在 30 rpm 工作转速下的输出功率。b) FMP-TENG 和 LED 的照片。c) 204 颗直径为 10 毫米的LED 的照明情况。d) 由 FMP-TENG 和电源管理电路供电的三台温湿度计。f) 由 FMP-TENG 供电的计算器。g) 为计算器供电时 2.2 mF 电容器上的充电电压。h) 不同质量钴粒子的 FMP-TENG 输出电压和拟合曲线。i) 基于 FMP-TENG 的自供电质量传感器照片。
总之，本研究首次提出了一种新型铁磁金属颗粒 TENG，它利用滚动运动的无限点接触代替薄膜材料的平面接触，从而提高了耐用性。由于球形金属颗粒独特的滚动摩擦特性和滚动摩擦中的高接触面积，FMP-TENG 可达到 103 μC m-2 的电荷密度和 400 mW m-2 Hz-1 的峰值功率密度。在最初的 10 k 次循环磨合后，FMP-TENG 表现出卓越的耐久性，在 110 k 次循环磨合后仍能保持 97% 的输出电荷。这项工作为有效提高滑动 TENG 的耐用性提供了一种新颖而有效的方法。此外，本研究还开发了工作表面颗粒的实时质量传感系统，可应用于动态机械平台中金属粉末的识别和检测。（文：SSC）
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