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An Ultrahigh Power Density and Ultralow Wear GaN‐Based Tribovoltaic Nanogenerator for Sliding Ball Bearing as Self‐Powered Wireless Sensor Node

材料科学 光电子学 纳米发生器 球(数学) 无线 节点(物理) 无线传感器网络 纳米技术 复合材料 声学 压电 电信 计算机科学 计算机网络 物理 数学分析 数学
作者
Zhi Zhang,Ning Wu,Likun Gong,Ruifei Luan,Jie Cao,Chi Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (6): e2310098-e2310098 被引量:31
标识
DOI:10.1002/adma.202310098
摘要

Abstract The tribovoltaic effect is regarded as a newly discovered semiconductor effect for mechanical‐to‐electrical energy conversion. However, tribovoltaic nanogenerators (TVNGs) are widely limited by low output power and poor wear resistance for device integration and application. Here, this work invents a TVNG using a ball‐on‐disk structure composed of gallium nitride (GaN) and steel ball. It exhibits an open‐circuit voltage exceeding 130 V and an ultrahigh normalized average power density of 24.6 kW m −2 Hz −1 , which is a 282‐fold improvement compared to previous works. Meanwhile, this TVNG reaches an ultralow wear rate of 5 × 10 −7 mm 3 N −1 m −1 at a maximum contact pressure of 906.6 MPa, surpassing the TVNG composed of Si by three orders of magnitude due to the local concentrated injection of frictional energy. Based on the TVNG, this work constructs the first tribovoltaic bearing and achieves sensing signal transmission within 16 s (300 rpm) by integrating a management circuit, a transmission module, a relay, and receiving terminals, which enables the monitoring of ambient pressure and temperature. This work realizes a GaN‐based TVNG with high‐performance and low wear simultaneously, demonstrating great potential for intelligent components and self‐powered sensor nodes in the industrial Internet of Things.
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