納米能源所：電荷自泵浦激勵的藍色能源器件

2020-08-30 小材科研

摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）通過摩擦起電和靜電感應可以實現將環境中的機械能轉化為電能，以此為基礎發展的微納能源、自驅動傳感以及藍色能源等技術將為物聯網、健康監測、電子皮膚、海洋開發等重要新興領域提供能源技術基礎。現階段摩擦納米發電機進一步走向實際應用受到兩個方面的挑戰：一是通過摩擦實現的表面電荷密度較低，使器件性能還無法滿足多種實際應用的需求；二是摩擦造成的材料磨損和發熱會影響器件的耐久性。

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）為解決這些問題提出了重要的思路，即通過浮置導體層來約束電荷，並通過泵浦發電機向浮置層中注入電荷。注入的束縛電荷可類同於摩擦靜電荷激發電場，但其電荷密度理論上僅受限於介電擊穿強度的限制，同時不需要通過劇烈的摩擦產生。該工作首次在大氣環境下將有效電荷密度提升到1.02mC/m2，實現了重要突破。在此基礎上，2020年4月報導的基於電荷泵浦策略的旋轉式摩擦納米發電機（Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000605）實現了旋轉式TENG在低頻激勵下的高輸出性能，器件在2Hz低頻驅動下可達到658mW的峰值功率和225mW的平均功率。以上工作實現了電荷密度和摩擦強度之間關聯的解耦，進一步推動了TENG的功率輸出及耐久性瓶頸問題的解決。在電荷泵浦器件中，電荷被完全約束在浮置的導體層中，與普通TENG將靜電荷完全約束在電介質表面類似，從靜電感應的角度仍遵循普通TENG的原理。 　　

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所首次提出了電荷穿梭原理（Charge shuttling）和基於電荷穿梭的摩擦納米發電機（Charge-shuttling-based triboelectric nanogenerator, CS-TENG）。不同於普通摩擦納米發電機中將摩擦靜電荷完全約束在電介質表面，CS-TENG中將電荷限域於導電域中，並利用電荷在導電域中的往復穿梭形成電流，驅動負載。基於準對稱的雙導電域中電荷的相互作用可以產生鏡像正負載流子的穿梭，實現轉移電荷量的加倍。導電域中的電荷作為「工質」可以通過泵浦TENG高效注入，實現電荷的自泵浦激勵。基於以上原理，實現了高性能的能量收集器件，達到了1.85mC/m2的超高有效輸出電荷密度。

圖1. CS-TENG的器件結構和工作原理。（a）電荷穿梭原理示意圖。（b）器件工作原理和類比模型示意圖。（c）器件照片。（d）器件典型電荷量輸出。（e）器件充電容曲線。


圖2. 水波激勵下集成器件的性能表徵。（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。（c）藍色能源的願景圖。（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。（f）集成器件點亮600盞LED陣列。（g）集成器件的應用電路連接圖。（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）。

在此基礎上，以CS-TENG為核心發電單元製備了高性能集成球形藍色能源器件，成功應用於水波能收集。在低頻水波激勵下，該器件可實現電荷的自泵浦激勵，並由單泵浦TENG對多主TENG同時激勵，峰值電流可達1.3mA，峰值功率可達126.67mW，且在300kΩ的低負載電阻下可實現最大的功率輸出，實現了藍色能源器件性能的新突破，且隨著器件集成CS-TENG單元數量的提升，輸出將會進一步提高。該工作還展示了器件在波浪驅動下，同時點亮600盞LED燈，並用於自驅動溫度和氣壓檢測，顯示了該器件在藍色能源等領域應用的巨大潛力。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新型器件研發以及TENG在自驅動系統、海洋藍色能源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。相關成果以「Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling」為題發表在Nature Communications上。

該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、北京市科學技術委員會等項目資助。

來源：納米能源所

論文連結

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17891-1

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