西南大學宋群梁、重慶大學郭恒宇，EES新成果：新概念仿生全電流納米發電機

一、【導讀】

21世紀，隨著以新興物聯網為代表的智能時代的到來，單純利用傳統的低熵能源和電池技術很難滿足對分布式能源大量、無線、清潔、可持續的嚴苛要求。水運動在地球上無處不在，但大多數在自然界中以高熵能源的形式存在。在物聯網時代，從環境中捕獲這種高熵水能(如雨滴能)的策略極具吸引力。目前，基于位移電流納米發電機（DCNG）的納米能源系統往往會面臨高效率與復雜性難以調和的內在矛盾。這是因為，經典的納米發電機通常采用位移電流作為驅動力從而輸出交流電，這將不可避免地面臨復雜電源管理問題，從而導致能量采集系統體積龐大、損耗增加、成本高昂。為了克服這一棘手問題，本工作嘗試跳出DCNG設計理念的束縛，從問題的源頭——電流的固有屬性出發對納米發電機的理論和設計做出一些新的思考。

在本課題組前期工作(J. Dong,?Q. L. Song* et. al, Nano Energy, 2021, 90: 106567.)中，我們基于時空電荷分離原理，首次構建了具有獨特水電荷梭（water?charge?shuttle）架構的直流液滴納米發電機平臺。在此研究基礎之上，受電鰩發電機理的啟發，我們研制了一種基于液固接觸起電的高性能陣列化液滴納米發電機，并揭示了該類納米發電機實現時空電荷分離原理背后的物理學本質：以麥克斯韋-安培定律為理論基礎，該發電機利用位移電流和傳導電流共同作為驅動力，無需外部整流器即可直接輸出高壓直流電。

二、【成果掠影】

近日，來自西南大學宋群梁課題組的董君博士與重慶大學郭恒宇教授合作，在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發表題為“A bio-inspired total current nanogenerator”的研究文章。該工作受到電鰩啟發，研制了一種高性能直流液滴納米發電機。不同于經典的位移電流納米發電機，該納米發電機利用位移電流和傳導電流共同作為驅動力，無需整流器即可輸出高壓直流電。這個新概念器件被定義為全電流納米發電機，它具有緊湊陣列架構、高壓直流輸出、可控能量釋放等特點，成功實現了如同電鰩一般瞬間釋放“高壓電擊”的這一能力。由于該納米發電機的輸出電壓高達3000伏，一次放電足以點亮1260多盞高亮LED，展示了其無與倫比的高熵水能采集能力。本研究提出的全電流納米發電機有可能同時滿足高性能、小型化、低成本、長壽命的應用要求，這將極大地促進分布式水能收集的實際應用。

圖1.?電鰩啟發的液固全電流納米發電機架構設計與應用。? RSC?Publication

三、【核心創新點】

1、揭示了直流液滴納米發電機實現時空電荷分離原理背后的物理學本質，并首次提出全電流發電新理念。

2、基于該原理構建的液滴納米發電機可以輕易完成陣列化拓展，并實現了可控釋放“高壓電擊”（高瞬時功率輸出）的能力。

四、【數據概覽】

• 基于位移電流納米發電機的納米能源系統設計所面臨的挑戰

關于位移電流納米發電機的能量采集系統設計方面的研究已經取得了許多重大進展。然而，由于固有交流屬性局限，當研究重點從基礎器件開發轉向實際系統應用時，就不可避免地會面臨電源管理問題。首先，它需要一個交直流轉換單元；其次，它往往需要一個帶有開關的能量存儲單元來按需積累和釋放能量。第三，當器件用于大規模集成應用時，還需要解決交流相位異步問題。此外，為了進一步提高能量轉換效率，還需要采取更多的措施，如電荷激勵，或升降壓等。因此，基于DCNG的液滴能采集系統必須依賴于復雜電源管理電路（PMC）來滿足能量最大化輸出要求，如圖2a所示。不幸的是，現實中PMC功能越完美，系統就會越臃腫。特別是在液滴能采集方面，這一問題變得極具挑戰性。由于單個液滴能采集單元產生的能量很小，需要將其組裝成簡單、高效、穩定的大規模陣列或網絡，才能滿足應用要求。我們認為，只有開發集發電、轉換和儲存功能于一身的一體化器件新策略（如圖2b所示）才有可能是同時平衡性能和系統復雜性的理想選擇。

為此，我們發明了一種基于液固接觸起電的仿生全電流納米發電機。該納米發電機具有陣列結構緊湊、高壓直流輸出、能量釋放可控等特點，其設計思想來源于電鰩。該器件可以通過多個通道從液滴中收集電荷，互不干擾，并輸出高達3000伏電壓的直流電。通過分析基于液滴的AC-TENG（圖2?c和e）和TC-TENG（圖2?d和f）的代表性物理過程和輸出屬性，進一步證明了全電流納米發電機在解決上述挑戰中的優越性。

圖2?基于位移電流納米發電機和全電流納米發電機的納米能源系統對比，并進一步分析了基于液滴的AC-TENG和TC-TENG的代表性物理過程和輸出屬性。? RSC?Publication

• 從位移電流到全電流發電理念的范式轉換

根據麥克斯韋-安培定律，基于納米發電機的納米能量系統中的電流包括傳導電流和位移電流，兩者的作用相互關聯。一般認為，AC-TENG的能量產生從根本上源于位移電流(?D/?t)，它包括電場的變化項(?E/?t)和動生位移電流項(?P_s/?t)。由此可見，在傳統的基于AC-TENG的納米能源系統中，位移電流是納米發電機實現發電的唯一驅動力，傳導電流通常用于驅動外部負載。因此，內部納米發電機與外部負載之間通常不存在載流子交換，而I_d實際上就是它們之間的連接。如圖2 c和e所示，由于這種情況下的I_c隨D同步變化，其繼承的AC特性使其難以被充分利用和有效轉換。PMC的作用是管理I_c，使來自納米發電機的能量可以被最大化提取并被外部負載高效利用。

然而，我們認為僅以位移電流作為驅動力的發電機理只代表了其中最典型的機理場景，并不能涵蓋納米發電機中所有發電機理。在此，我們提出了一種利用全電流作為驅動力的納米發電機范式轉換發電機制，從而使我們能夠最大限度地從納米發電機中提取能量。在該全電流納米發電機中，通過對電流I_d進行控制，然后將電流I_d轉化為電流I_c，實現了納米發電機兩個電極上載流子的時空分離和積累過程。如圖2 d和f所示，由于這種情況下的I_c具有直流屬性，因此可以在最大化能量輸出循環中被充分利用，這將會消除用于能量提取和整流的電源管理模塊，從而極大簡化能量收集系統，有望構建一體化片上發電站。

• 仿生器件架構設計

電鰩的電器官結構提供了新啟示：單柱狀發電單元產生的直流輸出相對較低，不足以讓電鰩擊暈獵物或自我防衛。但是，當上千個發電單元組成一個有序的柱狀陣列，并通過神經控制同時釋放陣列中存儲的能量時，會產生瞬態強放電。受此啟發，我們開發了一種基于液滴的全電流摩擦納米發電機陣列(TC-TENG)，該陣列發電機由具有多通道結構的直流摩擦納米發電機和具有能量管理功能的電壓觸發控制器組成。在該TC-TENG中，將穿梭于兩個電極之間的WCS作為一個獨立的發電單元來模擬電鰩的發電單元。采用電壓觸發控制器實現電鰩神經系統的能量釋放功能。該TC-TENG可以利用多通道同時從水源中采集不規則的高熵液滴能量，然后將能量匯聚在電極上，無需整流單元直接轉換為直流輸出。由于直流輸出的TC-TENG可以避免相位同步問題，非常適合陣列擴展，在大規模分布式水能收集應用中顯示出無可比擬的優勢。

圖3?電鰩啟發的全電流納米發電機架構設計。? RSC?Publication

• TC-TENG構建納米能源系統的性能演示

TC-TENG利用液固接觸起電效應將水能轉化為直流電，不僅理論上使用壽命長，而且無需整流單元即可單獨直接驅動電子器件。圖4展示了TC-TENG輸出性能。首先演示了TC-TENG直接驅動1260個串聯彩色LED的能力。這一結果表明它具有超高的輸出電壓，遠高于目前報道的基于液滴的納米發電機。其次，我們用優化的控制器演示了TC-TENG的高輸出性能，可同時點亮400個高亮紅色LED。此外，從圖4 d和e可以看出，TC-TENG通過控制器優化后輸出電流從0.6 μA增加到60μA，電流增加了100倍；每次可轉移的電荷量也增加到132 nC。因此，LED面板的亮度得到大大增強。

圖4?TC-TENG的輸出性能演示。? RSC?Publication

鑒于該TC-TENG的出色能力，我們進一步展示了一個自供電交通燈系統的演示原型，該系統可在偏遠地區的雨天收集分布式水能(見圖5)。此外，通過收集自然界中的雨滴、溪流、瀑布和噴泉等水源的能量，TC-TENG還可以為島嶼信號燈、全球定位系統、生態監測系統和應急電源提供能量。該基于TC-TENG的納米能源系統具有能源效率高、管理電路簡單、制造成本低、易于集成化生產等優點，非常適合組裝成大規模水能收集系統，在藍色能源收集領域具有巨大應用潛力。

圖5?TC-TENG在分布式水能收集中的潛在應用場景。? RSC?Publication

四、【成果啟示】

基于位移電流納米發電機的納米能源系統面臨著高效率與復雜性的內在矛盾，這意味著AC-TENG必須利用復雜的電源管理模塊來最大限度地提高從納米發電機中提取的能量。在這項工作中，提出了一種基于全電流概念的仿生直流TENG，稱為TC-TENG。該TC-TENG在多通道WCS架構內實現位移-傳導電流轉換過程，并將發電、轉換和存儲功能集成在一體化器件中，從而可以通過液固接觸起電將水動能直接轉換為高壓直流電。該工作為基于液固接觸起電的TENG理論和技術提供了新的見解，有望促進納米發電機從器件級到系統級的研究范式轉變。更重要的是，這項工作中提出的全電流發電理念并不局限于TENG，還可以擴展到更廣泛的能量采集器件，從而有可能在未來創造新的能量采集技術。

【原文詳情】

10. Dong, L. Zhu, P. Guo, C. Xu, X. Zhao, S. Yang, X. He, G. Zhou, G. Ma, H. Guo*, C. Hu, Q. L. Song*. A bio-inspired totalcurrent nanogenerator. Energy & Environmental science,2023, 16，1071-1081，鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE02621J。

【通訊作者介紹】

宋群梁，西南大學教授、博士生導師。澳大利亞Edith Cowan大學兼職教授。新加坡材料學會會員和重慶市物理學會會員。Nature、JACS等三十余個國際知名期刊雜志審稿人。西南大學第三屆學術委員會委員，國家基金委項目評議專家，教育部學位中心論文評審專家。天津市科委、廣西科技廳項目評議專家。課題組主要致力于鈣鈦礦太能電池界面物理過程與機理、憶阻器研發、新型微納發電機及自供能傳感系統等半導體器件物理相關研究方向。先后主持省部級以上項目10余項，其中國家級項目4項；以第一作者和通訊作者先后在Energy Environ. Sci、Phys. Rev. Lett、J. Am. Chem. Soc、Adv. Sci、ACS Nano、Nano Energy、Mater. Horiz、J Mater Chem A、Chem. Eng. J、Appl. Phys. Lett等SCI收錄論文160余篇。申請國家發明專利10余項項，獲授權10項。

郭恒宇，重慶大學弘深青年學者特聘教授。本碩博畢業于重慶大學，美國佐治亞理工學院聯合培養博士和博士后。研究內容主要圍繞環境微納力電轉換的納米發電技術，在其基礎器件物理理論，關鍵材料，能量管理，自驅動傳感等方面取得了一系列創新性研究成果。迄今為止已在Sci. Robot., Sci. Adv.,?Nat. Sustain., Nat. Commun., Adv. Mater.等期刊發表SCI論文140余篇，其中ESI高被引論文25篇，論文共計引用15000余次，H指數為69，獲權發明專利12項，同國家電網公司合作研發了基于納米發電技術的輸電線自供能狀態監測裝置，研究成果受到新華社、Asian Scientist等國內外眾多主流媒體報道，主持國家自科基金1項，國家重點研發計劃課題1項，主研國家自科基金區域創新發展聯合項目1項，入選2020和2021年世界10萬Top科學家榜單，2022年科瑞維安高被引科學家，重慶市英才計劃-青年拔尖人才項目。

【第一作者介紹】

董君博士，本碩博分別畢業于河北大學、中科院蘭州化物所（師從王曉波研究員）和西南大學（師從宋群梁教授），目前主要從事新概念納米能源器件及自供能傳感系統的器件物理、系統設計與能量傳遞機制研究。自主開發了基于時空電荷分離原理的新一代全電流納米發電機平臺，并完善了該器件的理論、架構及應用，為液固界面能量高效采集與載流子輸運行為研究提供了新視角，代表性成果相繼發表在Nano?Energy（2）、Energy Environ. Sci等領域知名期刊。基于上述成果開發了水滴直流發電機及自驅動系統，授權1項核心發明專利，作為原創前沿技術入駐西部科學城西南大學科學中心，并受邀參加第18屆中國西部國際博覽會、重慶英才大會等多個博覽會。同時，還擔任Nano Energy、Nanoscale等多個TOP期刊審稿人。郵箱：jundong99@126.com，歡迎學術交流合作。

本文由董君供稿