AEM：基于電荷泵浦策略的高功率旋轉摩擦納米發電機

【引言】

摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）基于摩擦起電和靜電感應，可將環境中機械能有效轉化為電能，相應發展的微納能源、自驅動系統以及藍色能源等技術將為物聯網、可植入器件、可穿戴設備、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還存在兩個方面的瓶頸：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，并通過泵浦發電機實現向浮置層中注入電荷。在電磁發電機中，廣泛采用的電磁鐵通過電流激發磁場，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，首次在大氣環境下將有效電荷密度提升到1mC/m²以上，達到1.02mC/m²，實現了重要突破。然而，該工作基于接觸分離式摩擦納米發電機，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電機等性能更好的器件中應用電荷泵浦策略，實現更高功率的輸出。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所成功將電荷泵浦策略應用于旋轉式摩擦納米發電機（Rotary charge pumping triboelectric nanogenerator，RC-TENG）中，實現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，使得其實現的電荷密度遠高于普通方法所能實現的摩擦電荷密度。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，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”為題發表在了Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 器件結構和工作原理

a.器件結構和材料示意圖

b.主TENG和泵浦TENG的轉子和定子照片

c.電路連接圖

d.工作原理示意圖

e.器件的典型輸出（短路電流和轉移電荷量）

圖2 基于直流高壓電源測試主TENG性能

a.直流高壓電源取代泵浦TENG為主TENG提供電荷的示意圖

b.不同電荷源電壓下的主TENG開路電壓和短路電流

c.當電荷源電壓保持為1000V時，主TENG在不同負載下的輸出電流和電壓

d.當電荷源電壓保持為1000V時，主TENG在不同負載下的平均功率

圖3 泵浦TENG的性能表征

a.一對泵浦TENG在不同驅動頻率下的短路電流和轉移電荷量

b.一對泵浦TENG的開路電壓曲線

c.一對泵浦TENG的轉移電荷量曲線

d.一對泵浦TENG的短路電流曲線

圖4 單個主TENG由一對泵浦TENG注入電荷時的輸出性能

a.不同驅動頻率下的轉移電荷量和短路電流

b.不同驅動頻率下的電荷注入時間

c.轉移電荷量曲線

d.短路電流曲線

e.泵浦TENG注入的電荷量與主TENG的總輸出電荷量的對比。插圖為注入電荷量放大圖

f.不同負載下的平均功率

圖5 四個并聯主TENG由一對泵浦TENG注入電荷時的輸出性能

a.每個主TENG的短路電流和轉移電荷量

b.并聯的主TENG的數量變化時的短路電流和轉移電荷量

c.并聯的主TENG的數量變化時的電荷注入時間

d.不同負載下的輸出電流、峰值功率和平均功率

e.對不同電容的充電性能，插圖為對電容充電的電路

f, g. RC-TENG驅動一組燈

h, i. RC-TENG驅動LED陣列

【小結】

本文首次將電荷泵浦策略應用到旋轉及滑動式摩擦納米發電機中，基于一種新穎的同步旋轉結構實現高效可靠地從泵浦TENG向主TENG中注入約束電荷。單個器件可實現4.5μC的高轉移電荷量，相較對照的普通TENG提升9倍，平均功率提升15倍，從而在低頻驅動下實現高功率輸出。另外，器件具有優異的可擴展性，可實現一對多的電荷注入。電荷泵浦策略解耦了電荷密度和摩擦強度之間的關聯，使得在低摩擦情況下也能產生高電荷密度。該器件將進一步推動解決TENG的功率輸出及耐久性瓶頸問題，促進高功率TENG在藍色能源等各個領域的實際應用。

文獻鏈接：Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators (Advanced Energy Materials, 2020, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000605)

相關論文：Ultrahigh charge density realized by charge pumping at ambient conditions for triboelectric nanogenerators, Nano Energy, 2018, 49, 625, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303264