王中林院士課題組再發Nature子刊:電荷自泵浦激勵的藍色能源器件

電荷穿梭原理提升摩擦納米發電機電荷密度

第一作者：王華妹1，許亮1

通訊作者：王中林*

單位：中國科學院北京納米能源與系統研究所，中國科學院大學，美國喬治亞理工學院

摩擦電納米發電機（TENG）可通過摩擦起電和靜電感應將環境中的機械能轉化為電能。在此基礎上開發的微納能量、自驅動傳感器和藍光能源技術將為物聯網、健康監測、電子皮膚、海洋開發等重要的新興領域提供能源技術基礎。在現階段，摩擦納米發電機進一步發展到實際應用中面臨兩個方面的挑戰：首先，摩擦所獲得的低表面電荷密度使器件性能無法滿足各種實際應用的需要；第二，材料磨損和摩擦產生的熱量會影響裝置的耐久性。2018年報導的電荷泵浦策略和電荷自泵浦摩擦納米發電機（Nano Energy，2018，49，625）提出了解決這些問題的一個重要思想，即通過浮置導體層來限制電荷，並通過泵浦發電機向浮置層注入電荷。注入的束縛電荷可以類似於摩擦靜電荷激勵電場，但其電荷密度理論上只受介質擊穿強度的限制，不需要劇烈摩擦產生。這項工作首次將大氣環境下的有效電荷密度提高到1.02mC/m2，取得了重大突破。在此基礎上，基於2020年4月報導的電荷泵浦策略的旋轉摩擦納米發電機（Adv.Energy Mater.，2020，10，2000605）在低頻激勵下實現了旋轉TENG的高輸出性能。該裝置在2Hz低頻驅動下，峰值功率可達658mW，平均功率為225mW。上述工作實現了電荷密度與摩擦強度之間關係的解耦，進一步促進了TENG的功率輸出和耐久性瓶頸的解決。在電荷泵浦器件中,電荷被完全局限於導體層中。與普通TENG將靜電荷完全約束在電介質表面相似，從靜電感應的角度看，仍遵循普通TENG的基本原理。在這裡，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士的研究團隊在國際知名期刊《自然通訊》上發表了一篇題為《Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling》的研究成果。本文首先提出了電荷穿梭原理（電荷穿梭Charge shuttling）和基於電荷穿梭的納米摩擦發電裝置（Charge-shuttling-based triboelectric nanogenerator, CS-TENG）。與普通摩擦發電納米發電機完全限制電介質表面的摩擦靜電荷不同，CS-TENG將電荷限制在導電區域，利用電荷在導電區域的往復穿梭形成電流驅動負載。利用準對稱雙導電域中電荷的相互作用，可以產生鏡像正負載電流的穿梭，使電荷轉移量加倍。在導電域中的電荷作為「工質」可以通過泵浦TENG有效地注入。基於上述原理，實現了一種高性能的能量收集裝置，達到了1.85mC/m2的超高有效輸出電荷密度。在此基礎上，研製了以CS-TENG為核心發電單元的高性能一體化球形藍色能源器件，並成功應用於水波能量的採集。在低頻水波激勵下，裝置可實現電荷自泵浦激勵，峰值電流可達1.3mA，峰值功率可達126.67mW。並且在300kΩ低負載電阻下可實現最大功率輸出，實現藍色能源器件性能的新突破，隨著器件中集成CS-TENG單元數量的增加，輸出量將進一步增加。文章還介紹了該裝置是利用波浪驅動，同時點燃600盞LED燈，並用於溫度和氣壓的檢測，顯示了該裝置在藍色能源等領域的巨大潛力。作為一種新的基本工作原理，電荷穿梭機的提出為開發基於限域結構中電荷運動的新型納米發生器器件提供了思路。該論文共同第一作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所副研究員許亮和博士研究生王華妹

圖1顯示了CS-TENG的電荷穿梭原理和類比模型，並顯示了典型的器件輸出。

如圖1a和b所示，CS-TENG由主TENG、泵浦TENG和緩衝電容三部分組成。其中，主TENG和緩衝電容器的正負極分別構成準對稱的正、負導電域，實現了對載流子的限域作用。正電荷和負電荷通過泵浦TENG注入兩個導電域中，並在導電域間的電場相互作用下進行電荷穿梭。

具體來說，隨著主TENG的接觸和分離運動，導電域中不同區域將產生電勢差，從而驅動電荷來回穿梭，並流經負載對外輸出電能。在兩導電域中鏡像式地進行電荷穿梭的正、負載流子可將器件的電荷輸出提升2倍，同時，限域電荷還可通過泵浦TENG不斷注入導電域內，使其實現電荷密度遠高於一般所能達到的摩擦電荷密度。

圖1b中的類比流體模型直觀地說明了導電域中「工質」電荷穿梭的原理。圖1d和e中的實驗表明，可以測量鏡像式穿梭的電荷，並同時對正負導電域的兩個負載電容器充電，這表明電荷穿梭原理可以大幅度提高器件的有效輸出電荷密度。

圖2. 基於直流電壓源測試主TENG的性能及泵浦TENG的性能表徵

（a）不同起始注入電壓下，主TENG的單側輸出電荷量。（b）起始注入電壓為250V時，主TENG的電壓和輸出電荷量。（c）起始電壓250V時，主TENG在不同緩衝電容下的電壓和輸出電荷量。（d）起始電壓250V時，主TENG的輸出電荷量衰減曲線。（f）不同緩衝電容下，泵浦TENG對主TENG注入電荷時的電壓變化曲線。

圖2顯示了主TENG的輸出性能和泵浦TENG在直流電壓源可控注入下的性能。直流電壓源用於為主TENG提供初始電壓（接觸狀態），而不是泵浦TENG進行電荷注入。

圖2a顯示，隨著初始電壓的增加，主TENG的單邊輸出電荷增加，在-250V時達到7.5μC。圖2c顯示，隨著緩衝電容的減小，主TENG上的分離壓增大，當其超過400V時，輸出電荷顯著降低，這與在高壓下限域電荷注入電荷有關。圖2d顯示主TENG初始電荷注入後，在連續工作下電荷衰減緩慢。圖3顯示了CS-TENG整體裝置的電學性能，其中主TENG由泵浦TENG激勵。在0.7Hz的電機驅動頻率下，CS-TENG的單側輸出電荷為7.1μC，相應的輸出電流為0.8mA。圖3d和e同時測試了CS-TENG的總注入電荷、輸出電荷和電壓，實驗結果與推導的理論模型吻合良好。在電機驅動頻率為1.7Hz時，器件峰值功率可達126.8mW，平均功率可達1.4mW。要點四：集成藍色能源器件在電機模擬水波驅動下的性能表徵（d，e）左泵浦TENG激勵下，主TENG L1（d）和L1，L2（e）的單側輸出電荷量。（h，i）不同負載下的峰值電流和負載電壓（h）、峰值功率和平均功率曲線（i）圖4顯示了集成藍色能源器件的結構設計和電機驅動下的性能表徵。

圖4b和c表明，該集成器件的結構主要包括定子和滑塊兩部分，以及一個用於密封的球殼。定子固定在球殼上，滑塊可相對於定子沿垂直於接觸面的方向滑動。該集成器件包含4個主TENG（L1、L2、R1、R2）和兩個泵浦TENG，它們分別屬於兩個相位。其中，L1、L2和左泵浦TENG構成左相位，R1、R2和右泵浦TENG構成右相位，實現了一個泵浦TENG激勵多個主TENG。當集成器件在一個周期內左右擺動時，左右兩相分別完成一次能量收集。

圖4d-f顯示了L1、L1和L2以及整個裝置的單邊特徵輸出。

圖4g是4f的放大圖，顯示了集成器件在一個周期內的電流峰值特性，四個峰值形狀對應於左右相位的接觸和分離。該裝置在電機激勵頻率0.67Hz下，最高功率為74mW，平均功率可達2.16mW。

要點五：集成藍色能源器件在水波激勵下的性能表徵及應用場景（a，b）水波激勵單個集成器件（a）和器件網絡（b）的原理示意圖。（d）集成器件單個周期內的單側電流輸出峰和電荷量曲線。（e）集成器件在不同負載下的峰值功率和平均功率曲線。（h，i）集成器件驅動溫度計的電壓曲線（h）和實驗照片（i）。（j，k）集成器件驅動氣壓計的電壓曲線（j）和實驗照片（k）。圖5描述了集成器件在水波激勵下的性能，並顯示了自驅動溫度和氣壓檢測。

圖5a-c顯示了單個集成器件和器件網絡的水波激發原理和藍色能源願景圖。該器件的單側輸出電荷在一個周期內達到53μC，是之前報導的水波能量收集器件的10倍多。當水波激勵頻率為0.625Hz時，集成器件的峰值功率達到最大值126.67mW，負載電阻為300kΩ，平均功率為1.22mW。高輸出集成器件可收集水波能量，點亮600盞LED燈。

通過圖5g所示的應用電路，該器件可在9.1s內將0.22mF電容器充電至1.38V，為溫度計供電，並在240s內將2mF電容器充電至3.54V，為氣壓計供電，使其持續工作50s以上。

這也表明CS-TENG可作為基礎器件應用於各種複雜場景中。電荷穿梭原理提供了一種全新的基本工作模式，大幅提升了器件表面電荷密度，為相關基於限域結構中電荷運動的的新型器件研發以及TENG在自驅動系統、海洋能等領域的應用提供了新思路和方向，促進了高性能TENG實際應用的發展。

本文首次介紹了電荷穿梭原理和基於電荷梭的CS-TENG，它利用限域電荷在導電區域的穿梭運動來實現機械能的收集。與普通TENG利用介電層表面的束縛靜電電荷來收集能量相比，這在原理上有了新的突破。在導電域中的限域電荷可以通過泵浦TENG注入，理論上只受絕緣強度的限制。

基於鏡像載流子在兩個導電區域內的準對稱穿梭運動，實現了器件的電荷輸出加倍，達到1.85mC/m2的超高有效輸出電荷密度。在此基礎上，以CS-TENG為基本發電單元，構建一體化球形藍色能源器件，實現電荷自泵浦激勵的高性能水波能量收集，峰值功率126.67mW，實現了藍色能源器件性能的新突破，並展示了自驅動溫度和氣壓傳感等應用。

這也說明CS-TENG可以作為一種基礎器件用於各種複雜的場景。電荷穿梭原理提供了一種新的基本工作模式，極大地提高了器件的表面電荷密度，為基於限域結構中電荷運動的新型器件的開發以及TENG在自驅動系統、海洋能源、太陽能等領域的應用提供了條件，新的思路和方向，推動了高性能TENG實際應用的發展。

Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling https://www.nature.com/articles/s41467-020-17891-1

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