重慶大學胡陳果教授課題組Nature Communications：通過量化接觸狀態和建立電荷激勵下的空氣擊穿模型來最大化摩擦納米發電機的輸出電荷密度

【背景介紹】

隨著便攜式、可穿戴設備和物聯網的快速發展，大量的工作致力于發展可持續、分散式能源。與此同時，與人類活動有關的環境機械能量為能量收集提供了一個理想的能量源。對比傳統的電磁發電機，摩擦納米發電機(Triboelectric Nanogenerators , TENG)由于其質量輕、成本低和高效收集低頻能量的優點展現了巨大的潛力在收集環境機械能量方面。然而TENG的輸出功率和能量與其電荷密度的平方成正比，目前低的電荷密度嚴重的限制了TENG的進一步發展。

因此，大量的工作從摩擦材料的選取、材料改性、環境控制、電荷泵等多方面來致力于改善TENG的輸出電荷密度，有效的將TENG的電荷密度從最初的0.040 mC m^-2提升至1.03mC m^-2的電荷密度，擴展了TENG的應用范圍。2019年，該課題組報道了一種基于倍壓電路的外電荷激勵TENG和自電荷激勵TENG，通過電荷激勵實現高達1.25 mC m^-2 的輸出電荷密度。雖然這些方法確實可以一定程度上提高TENG的輸出電荷密度，但是這種提高依然沒有達到TENG在空氣擊穿范圍內所允許的最大電荷密度。因此，進一步提高TENG的輸出電荷密度，對TENG投入實際應用有著重要意義。

【成果簡介】

近期，重慶大學物理學院胡陳果教授科研團隊在 Nature Communications上發表題目為“Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge density”的研究論文。重慶大學碩士生劉怡珂和博士生劉文林為共同第一作者，重慶大學胡陳果教授和佐治亞理工大學郭恒宇博士后為共同通訊作者。該論文基于電荷激勵摩擦納米發電機提出了一種量化TENG接觸狀態的方法，建立了電荷激勵型TENG的空氣擊穿模型，并進一步提高了電荷激勵型TENG的輸出電荷密度。

一方面研究者提出了一種定量評估TENG接觸狀態的方法，基于該方法可以測得TENG在正常工作時的有效接觸面積和接觸效率；另一方面基于帕邢定律，研究者成功建立了電荷激勵TENG的空氣擊穿模型。通過使用自制的柔性碳凝膠電極和4μm的PEI介電薄膜，在相對濕度為5%的環境空氣中，在外電荷激勵下，TENG實現了2.38 mC m^-2的高輸出電荷密度。更深入地，基于定量的表面接觸效率揭示了TENG電極中的實際電荷密度（超過4.0 mC m^-2），提供了一種判斷TENG最大輸出電荷密度的前瞻性技術方法，有助于將TENG的輸出性能推向更高水平。

【全文總結】

本文基于帕邢定律建立了電荷激勵TENG的空氣擊穿模型，通過多參數調整優化，包括減小電介質厚度、增加外部電容器，控制大氣環境等方面，實現了高空氣擊穿上限。同時通過定量分析摩擦界面的接觸效率，為得到最優化的接觸結構提供了一個判斷依據。依據上述理論，研究者發明了一種柔性碳凝膠電極，可以將4μm的介電薄膜接觸效率從6.16％提高到54.98％。使用這種柔性碳凝膠電極和4μm的PEI介電薄膜，在相對濕度為5%的空氣環境中，電荷激勵TENG實現了2.38 mC m^-2的高輸出電荷密度，推動了TENG的進一步發展。

【圖文導讀】

圖一：工作機理和最大的電荷密度

a，電荷激勵TENG的結構示意圖。

b，電荷激勵TENG的基本工作機制。

c，電荷激勵TENG的等效物理和電學模型以及一些關鍵參數。

d，使用Comsol Multiphysics在一定氣隙距離下模擬的主TENG的電勢分布。

e，在不同的A值下的Paschen曲線，以及在一定電荷密度下的具有不同介電層厚度的頂電極與介電層之間的電壓曲線。

f，在不同的介電層厚度和大氣常數A下，受空氣擊穿限制的最大電荷密度。

圖二：影響輸出電荷密度的重要因素

a，由不同厚度的電介質制成的電容器的電容。

b，使用剛性電極（上）和軟凝膠電極（下）時的接觸狀態示意圖。

c，具有六種不同優化結構的主TENG器件的電容。

d，電荷激勵TENG在利用電壓源激勵時的電學方案。

e，施加不同偏置電壓時的輸出電荷密度。

f，具有不同介電膜厚度的電荷激勵TENG的實驗和理論電荷密度。

g，當環境濕度變化時，電荷激勵TENG的輸出電荷密度。

h，具有六種不同優化結構的主TENG的有效接觸面積和實際電荷密度。

i，六種不同優化結構的有效接觸面積和真實電荷密度。

圖三：具有優化材料和結構的激勵電荷TENG的電學輸出

a，電荷激勵TENG的輸出電荷和電壓曲線。

b和d，不使用/使用穩壓二極管的電荷激勵TENG電荷密度輸出。

c和e，放大的初始電荷累積曲線（向上）和飽和輸出狀態（向下）

f，TENG的輸出電荷密度比較。

g，不同外部負載下的輸出電流，電壓和峰值功率。

h， 電荷激勵TENG的V-Q曲線。

圖四：高輸出電荷激勵TENG的應用

a,b，電荷激勵TENG在5 Hz工作頻率下的電流密度和電壓輸出。

c，使用電荷激勵TENG直接為數百個LED供電。

d，電荷激勵TENG為電容器充電的電路圖。

e，使用電荷激勵TENG為電容器充電的充電曲線。

f，電荷激勵TENG在5 Hz的工作頻率下為溫濕度計供電。

g，電荷激勵TENG的長期穩定性測試。

文章鏈接：（Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge density）

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15368-9

課題組介紹

胡陳果，重慶大學教授，博士生導師，國務院特殊津貼專家, Nano Energy副主編，Nano-Micro Letters 編委。博士畢業于重慶大學，曾在美國佐治亞理工學院訪學1年。主要從事低維功能材料制備和納米器件設計及應用等方面的研究，特別是在摩擦納米發電機及自驅動傳感器方面做出了許多創新性工作。共發表SCI 論文270 多篇，被引用10000 多次 (Web of Science)，其中，以通訊作者發表《科學》子刊3篇和《自然》子刊2篇，ESI 高被引15篇，H-因子50。主持國家自然科學基金5項和省部級基金4項，參加863課題1項。申請發明專利26 項，獲授權21 項，獲省部級自然科學一等獎和二等獎各1 項（排名第1），獲得中國產學研合作創新成果優秀獎1項。

郭恒宇，重慶大學弘深青年學者特聘教授，博士生導師。博士畢業于重慶大學，美國佐治亞理工學院博士后。主要從事環境能量轉化技術和傳感技術。已發表SCI論文92篇，其中一作、共同一作、通訊作者論文共計40篇(其中Nature/Science子刊7篇，ESI高被引論文13篇，ESI熱點論文1篇)，發表于Science?Robotics, Science?Advances, Nature?Communications, Advanced?Energy?Materials, Advanced?Functional?Materials, ACS?Nano, Nano?Energy等雜志。論文共計引用5070余次，H因子40，申請發明專利17項(已獲權美國專利1項，中國專利7項)，榮獲寶鋼優秀學生特等獎，重慶市優秀畢業論文，唐立新獎學金等，在摩擦納米發電領域世界排名前25的科學個人中排名第五。