摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)可將環(huán)境中機(jī)械能有效轉(zhuǎn)化為電能，基于此發(fā)展的微納能源、自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及藍(lán)色能源等技術(shù)將為物聯(lián)網(wǎng)、可植入器件、可穿戴設(shè)備、海洋開(kāi)發(fā)等重要新興領(lǐng)域提供能源技術(shù)基礎(chǔ)。現(xiàn)階段摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用受到兩個(gè)方面的制約：一是摩擦所產(chǎn)生的表面電荷密度較低，使得器件的輸出性能還不能滿足很多實(shí)際應(yīng)用的需求；二是摩擦界面處的材料磨損和發(fā)熱會(huì)影響器件的耐久性，尤其是對(duì)旋轉(zhuǎn)式和滑動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)，這一問(wèn)題更為突出。
2018年報(bào)道的電荷泵浦策略和電荷自泵浦摩擦納米發(fā)電機(jī)（Nano Energy，2018，49，625）為解決這些問(wèn)題提出了重要的思路，即通過(guò)浮置導(dǎo)電層來(lái)約束電荷，并通過(guò)泵浦發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)向浮置層中注入電荷。在電磁發(fā)電機(jī)中，廣泛采用的電磁鐵通過(guò)電流激發(fā)磁場(chǎng)，與此類似，電荷泵浦策略采用注入束縛電荷來(lái)取代摩擦靜電荷而激發(fā)電場(chǎng)，浮置層中的束縛電荷密度理論上僅受限于介電擊穿強(qiáng)度。基于此策略，首次在大氣環(huán)境下將有效電荷密度提升到1mC/m2以上，達(dá)到1.02mC/m2，實(shí)現(xiàn)了重要突破。然而，該工作基于接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)，由于此模式固有的輸出性能局限性，器件平均輸出功率雖得到了增強(qiáng)，但仍未達(dá)到大功率應(yīng)用的需求。需要研究在獨(dú)立層模式旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī)等性能更好的器件中應(yīng)用電荷泵浦策略，實(shí)現(xiàn)更高功率的輸出。
近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)成功將電荷泵浦策略應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機(jī)（Rotary?charge pumping triboelectric nanogenerator，RC-TENG）中，實(shí)現(xiàn)了低頻激勵(lì)下的高輸出性能。RC-TENG由主TENG和泵浦TENG兩部分構(gòu)成，泵浦TENG為普通旋轉(zhuǎn)式TENG結(jié)構(gòu)，主TENG主要包括存儲(chǔ)電極和輸出電極。兩部分通過(guò)一種新穎的同步旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接，使得電荷可以高效可靠地從泵浦TENG注入到主TENG的存儲(chǔ)電極中。這些存儲(chǔ)電極中的約束電荷可產(chǎn)生類似于摩擦表面電荷的作用，在輸出電極中產(chǎn)生感應(yīng)輸出。由于電荷可以不斷地注入存儲(chǔ)電極，使得其實(shí)現(xiàn)的電荷密度遠(yuǎn)高于普通方法所能實(shí)現(xiàn)的摩擦電荷密度。同步旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得無(wú)需任何電刷即可實(shí)現(xiàn)上述功能，增強(qiáng)了器件的可靠性。單個(gè)器件即可達(dá)到4.5μC的轉(zhuǎn)移電荷量，電荷密度約為對(duì)照的普通旋轉(zhuǎn)TENG的9倍，2Hz的低頻驅(qū)動(dòng)下最大平均功率和平均功率密度分別可達(dá)到78mW和1.66kW/m3，是對(duì)照的普通TENG的15倍以上，同時(shí)具有小于1s的超快輸出飽和速度。此外，該結(jié)構(gòu)的高擴(kuò)展性可以實(shí)現(xiàn)泵浦TENG對(duì)多個(gè)主TENG的同時(shí)激勵(lì)。當(dāng)集成4個(gè)主TENG時(shí)，2Hz低頻驅(qū)動(dòng)下可達(dá)到658mW的最大峰值功率和225mW的最大平均功率。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可有效應(yīng)用到滑動(dòng)式TENG中。另外，對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式TENG，提高電荷密度往往需要更加強(qiáng)烈的摩擦，這會(huì)導(dǎo)致材料磨損和發(fā)熱問(wèn)題。電荷泵浦策略解耦了電荷密度和摩擦強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)，使得在低摩擦情況下也能產(chǎn)生高電荷密度，并可以在界面處通過(guò)添加潤(rùn)滑劑來(lái)抑制磨損?；陔姾杀闷植呗缘男D(zhuǎn)式TENG將進(jìn)一步推動(dòng)解決TENG的功率輸出及耐久性瓶頸問(wèn)題，促進(jìn)高功率TENG在藍(lán)色能源等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)成果以“Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators”為題發(fā)表在了Advanced Energy Materials上。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000605
