摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）通過摩擦起電和靜電感應可將環(huán)境中機械能有效轉化為電能，基于此發(fā)展的微納能源、自驅動系統(tǒng)以及藍色能源等技術將為物聯(lián)網、可植入器件、可穿戴設備、海洋開發(fā)等重要新興領域提供能源技術基礎?，F(xiàn)階段摩擦納米發(fā)電機進一步走向實際應用受到兩個方面的制約：一是摩擦所產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際應用的需求；二是摩擦界面處的材料磨損和發(fā)熱會影響器件的耐久性，尤其是對旋轉式和滑動式摩擦納米發(fā)電機，這一問題更為突出。
2018年報道的電荷泵浦策略和電荷自泵浦摩擦納米發(fā)電機（Nano Energy，2018，49，625）為解決這些問題提出了重要的思路，即通過浮置導電層來約束電荷，并通過泵浦發(fā)電機實現(xiàn)向浮置層中注入電荷。在電磁發(fā)電機中，廣泛采用的電磁鐵通過電流激發(fā)磁場，與此類似，電荷泵浦策略采用注入束縛電荷來取代摩擦靜電荷而激發(fā)電場，浮置層中的束縛電荷密度理論上僅受限于介電擊穿強度。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，達到1.02mC/m2，實現(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，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，但仍未達到大功率應用的需求。需要研究在獨立層模式旋轉摩擦納米發(fā)電機等性能更好的器件中應用電荷泵浦策略，實現(xiàn)更高功率的輸出。
近日，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團隊成功將電荷泵浦策略應用于旋轉式摩擦納米發(fā)電機（Rotary?charge pumping triboelectric nanogenerator，RC-TENG）中，實現(xiàn)了低頻激勵下的高輸出性能。RC-TENG由主TENG和泵浦TENG兩部分構成，泵浦TENG為普通旋轉式TENG結構，主TENG主要包括存儲電極和輸出電極。兩部分通過一種新穎的同步旋轉結構連接，使得電荷可以高效可靠地從泵浦TENG注入到主TENG的存儲電極中。這些存儲電極中的約束電荷可產生類似于摩擦表面電荷的作用，在輸出電極中產生感應輸出。由于電荷可以不斷地注入存儲電極，使得其實現(xiàn)的電荷密度遠高于普通方法所能實現(xiàn)的摩擦電荷密度。同步旋轉結構的設計使得無需任何電刷即可實現(xiàn)上述功能，增強了器件的可靠性。單個器件即可達到4.5μC的轉移電荷量，電荷密度約為對照的普通旋轉TENG的9倍，2Hz的低頻驅動下最大平均功率和平均功率密度分別可達到78mW和1.66kW/m3，是對照的普通TENG的15倍以上，同時具有小于1s的超快輸出飽和速度。此外，該結構的高擴展性可以實現(xiàn)泵浦TENG對多個主TENG的同時激勵。當集成4個主TENG時，2Hz低頻驅動下可達到658mW的最大峰值功率和225mW的最大平均功率。該結構設計也可有效應用到滑動式TENG中。另外，對于普通結構的旋轉式TENG，提高電荷密度往往需要更加強烈的摩擦，這會導致材料磨損和發(fā)熱問題。電荷泵浦策略解耦了電荷密度和摩擦強度之間的關聯(lián)，使得在低摩擦情況下也能產生高電荷密度，并可以在界面處通過添加潤滑劑來抑制磨損。基于電荷泵浦策略的旋轉式TENG將進一步推動解決TENG的功率輸出及耐久性瓶頸問題，促進高功率TENG在藍色能源等領域的實際應用。相關成果以“Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators”為題發(fā)表在了Advanced Energy Materials上。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000605
