王中林院士Nature Communications：超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發電機性能記錄

引言

人們一直致力于研究維持現代社會的巨大能源消耗的同時最小化環境消耗。從可再生的自然源（如太陽能、風能和生物質能）收集能量，已經被證實是應對能源危機的可持續可供選擇的方向，而且在化石燃料快速消耗的今天扮演著越來越重要的角色。最近發明的摩擦納米發電機具有質量輕、價格低廉，甚至在低工作頻率下仍然高效等先天優勢，已經被證實是一個具有深遠意義的解決方案。通過收集環境中的機械能——日常生活中普遍存在卻被浪費掉的能量，摩擦納米發電機在自驅動傳感網絡和大規模可再生藍色能源領域均有很好的應用前景。

作為一種能量收集器件，摩擦納米發電機的應用及商業化強烈地依賴于它的功率密度，而功率密度又與摩擦電荷密度成二次方關系。因此，人們一直致力于通過改善材料、結構優化和表面修飾等方法來提高摩擦電荷的密度，但此前所有研究中的可利用摩擦電荷密度都受到空氣擊穿現象的困擾。

成果介紹

近日，在中科院北京納米能源與系統研究所所長、佐治亞理工學院校董教授王中林院士的指導下，王杰研究員、吳昌盛博士生和戴葉婧副教授等研究人員首次利用真空環境和鐵電材料將可輸出摩擦電荷密度提高了一個數量級、最大輸出功率密度提高了兩個數量級。基于常規的由銅薄膜和聚四氟乙烯薄膜組成的摩擦納米發電機，相關科研人員先是利用軟接觸和碎片結構使摩擦表面得到更為有效的利用，將空氣中的摩擦電荷密度從50 μC m^-2增大到120 μC m^-2。接著，利用高真空環境將空氣擊穿的影響降至最低，把摩擦電荷密度進一步提升到660 μC m^-2，創造新的歷史記錄。最后，研究人員在聚四氟乙烯薄膜下引入鐵電材料，將摩擦起電的表面極化和鐵電材料的電滯介電極化進行耦合，使得摩擦電荷密度進一步跳躍到了1003 μC m^-2。這把即使是在普遍低速運動下（2 Hz）的傳統摩擦納米發電機的最大輸出功率密度提高了兩個數量級，從0.75 W m^-2提高到了50 W m^-2。 相關工作以題為“Achieving ultrahigh triboelectric charge density for efficient energy harvesting”于今年7月20日發表在Nature Communication，通訊作者為北京納米能源與納米研究所的王中林院士。?

圖文介紹

圖1 接觸起電和空氣擊穿。（a）日常摩擦起電現象，（b）摩擦納米發電機的應用，（c）典型摩擦納米發電機的工作原理，（d）間隙電壓模擬，（c）空氣擊穿，（f）理論計算出的不同氣壓下和不同電荷密度下TENG的空氣擊穿電壓與摩擦間隙距離的關系。

圖2 摩擦納米發電機在真空下的輸出性能。（a）帶柔性襯墊的TENG工作示意圖。（b-d）分別是在空氣和真空（10^-6托）下TENG的摩擦電荷密度、開路電壓和短路電流。（e）空氣中TENG在不同負載下的輸出電流與輸出功率。（f）真空（10^-6托）中TENG在不同負載下的輸出電流與輸出功率。

圖3 耦合表面極化和介質極化的TENG的工作原理和性能圖。（a）工作原理，（b-d）分別是在空氣和真空（10^-6托）下TENG的摩擦電荷密度、開路電壓和短路電流。（e）空氣中TENG在不同負載下的輸出電流與輸出功率。（f）真空（10^-6托）中TENG在不同負載下的輸出電流與輸出功率，（g）本工作中的電荷密度與報道值得對比。

圖4 TENG的應用。（a）自充電系統電路圖，（b）自充電系統中超級電容器的充電曲線，（c）在真空下工作的TENG驅動電子手表和同時對超級電容器充電，（d）在空氣里工作的TENG驅動電子手表和同時對超級電容器充電，（e）在真空下工作的TENG驅動溫濕度計和同時對超級電容器充電，（d）在空氣里工作的TENG不能獨立實時驅動溫濕度計，（g）在真空下工作的TENG驅動32盞LED燈泡（單只額定功率0.75W），（h）在空氣里工作的TENG不能驅動32盞LED燈泡（單只額定功率0.75W），（i）在空氣里工作的TENG驅動2盞LED燈泡（單只額定功率0.75W）。

小結

這些研究結果極大地提高了TENG的輸出能量，不僅刷新了TENG的性能記錄，同時還建立新的優化模式。所用到的高真空環境不僅僅能保證TENG的更好的性能，同時排除了由于自然的灰塵和空氣水分積累帶來的性能下降。這些都能夠顯著提高基于TENG的自供電可穿戴電子器件和藍色能源網絡的應用前景。這個工作也提供了對于制約TENG性能的因素的新見解，并有利于揭示長期懸而未決的摩擦起電機理以及它的動力學過程。 。

文獻鏈接：Achieving ultrahigh triboelectric charge density for efficient energy harvesting，http://www.nature.com/articles/s41467-017-00131-4。

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