新一代恆流摩擦納米發電機研究獲進展

2020-11-23 中國科學院

　　摩擦起電和靜電是一種非常普遍的現象，由於它很難被收集和利用，往往是被人們所忽略的一種能源形式。自從2012年中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林發明摩擦納米發電機（TENG）以來，全世界的學者從各個方面對TENG進行了廣泛的研究。TENG作為一種能源器件得到實際應用的關鍵在於進一步提高功率密度，其核心在於摩擦電荷密度的提高。摩擦電荷密度作為摩擦納米發電機的核心性能指標之一，TENG問世七年以來，科研工作者在摩擦材料選擇、表面修飾與改性等方面做了大量研究以提高摩擦電荷密度。納米能源所王傑和王中林團隊通過碎片化和柔性接觸方法將TENG的摩擦電荷密度從30 μC m-2 提高到近300 μC m-2（Nature communications 2016,7,12744），但是該電荷密度仍然受限於空氣擊穿，隨後在高真空環境中實現了1003 μC m-2的超高電荷密度（Nature communications 2017,8,88）。但通常情況下，摩擦納米發電機工作在大氣壓環境下，因此這裡大部分電荷密度通過空氣擊穿釋放掉了，如果將這部分空氣擊穿的能量收集起來，不僅可以提高摩擦納米發電機的輸出性能，而且也是對摩擦納米發電機的重新認識，對於更好地理解和利用摩擦納米發電技術具有重要意義。

　　傳統的摩擦納米發電機具有兩個與生俱來的特點：交流電輸出和脈衝特性。因此，通常摩擦納米發電機不能直接驅動電子器件。傳統的做法是外接全波整流橋和能量存儲單元才能得到穩定的直流電輸出，這不利於構建微型化的自驅動系統。而且，摩擦納米發電機的脈衝輸出具有比較高的損耗因子（定義為電流峰值與其均方根的比值），這在一定程度上影響了它用於能量存儲和驅動電子器件的效率。

　　4月5日，王傑和王中林等人在《科學進展》（Science Advances）上發表了題為A constant current triboelectric nanogenerator arising from electrostatic breakdown 的研究論文，納米能源所博士生劉迪、尹星和喬治亞理工學院博士後郭恆宇為論文共同第一作者。

　　該論文報導了一種基於摩擦起電和介質擊穿的新一代摩擦納米發電機，首次實現了基於摩擦起電和空氣擊穿的恆流電輸出，基本原理類似於人工產生和收集「閃電」的能量。同時，摩擦電荷密度高於大氣環境下受限於空氣擊穿的傳統摩擦納米發電機的電荷密度。這一新穎的直流摩擦納米發電機已經被證實可以直接驅動電子器件不需要外接整流橋或能量存儲單元。研究結果不僅有利於推動用於可穿戴電子和物聯網系統的自驅動系統小型化，而且為高效收集機械能提供了新的範例。

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　　圖：(a)恆流摩擦納米發電機的工作原理，(b) 該TENG的恆電流輸出，(c) 該TENG直接驅動電子手錶（無整流和儲能單元）。

　　摩擦起電和靜電是一種非常普遍的現象，由於它很難被收集和利用，往往是被人們所忽略的一種能源形式。自從2012年中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林發明摩擦納米發電機（TENG）以來，全世界的學者從各個方面對TENG進行了廣泛的研究。TENG作為一種能源器件得到實際應用的關鍵在於進一步提高功率密度，其核心在於摩擦電荷密度的提高。摩擦電荷密度作為摩擦納米發電機的核心性能指標之一，TENG問世七年以來，科研工作者在摩擦材料選擇、表面修飾與改性等方面做了大量研究以提高摩擦電荷密度。納米能源所王傑和王中林團隊通過碎片化和柔性接觸方法將TENG的摩擦電荷密度從30 μC m-2 提高到近300 μC m-2（Nature communications 2016,7,12744），但是該電荷密度仍然受限於空氣擊穿，隨後在高真空環境中實現了1003 μC m-2的超高電荷密度（Nature communications 2017,8,88）。但通常情況下，摩擦納米發電機工作在大氣壓環境下，因此這裡大部分電荷密度通過空氣擊穿釋放掉了，如果將這部分空氣擊穿的能量收集起來，不僅可以提高摩擦納米發電機的輸出性能，而且也是對摩擦納米發電機的重新認識，對於更好地理解和利用摩擦納米發電技術具有重要意義。
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　　圖：(a)恆流摩擦納米發電機的工作原理，(b) 該TENG的恆電流輸出，(c) 該TENG直接驅動電子手錶（無整流和儲能單元）。

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