王中林院士Adv. Funct. Mater.：摩擦納米發電機最大有效能量輸出的主要限制因素—空氣擊穿效應

【引言】

摩擦納米發電機（TENG）的最新進展表明其在高效機械能量采集-轉換技術中存在巨大的發展潛力，研究人員通過最大限度地提高摩擦表面電荷密度，可以實現能量輸出的有效提升。然而，在高壓條件下，空氣會被擊穿，在接觸分離（CS）模式的TENG中大部分增強的表面電荷不能保留，進而不能用于發電。

【成果簡介】

北京時間5月2日 ，中科院王中林院士課題組在Adv. Funct. Mater.上發表最新研究成果“Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation-Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown”，證實空氣擊穿效應是限制CS模式TENG最大有效功率輸出的主要因素。

此次，王中林院士課題組在高阻抗外部負載下，證實在低閾值表面電荷密度為40-50μCm^-2的CS模式TENG中，存在空氣擊穿效應，限制了TENG的最大有效能量輸出。研究人員進一步對不同壓力和氣體環境等因素進行了探索，為如何降低空氣擊穿效應的影響提出了解決方案。

【圖文導讀】

圖1 ?具有低電荷密度的CS模式TENG中存在空氣擊穿效應

（a）通過Paschen定律計算在1atm空氣中的擊穿電壓，其中A-E點顯示不同轉移電荷量Q下CS模式TENG的摩擦表面之間的電壓V₁，插圖為TENG的示意圖；

（b）由COMSOL Multiphysics軟件模擬的A-D點的潛在分布；

（c）V-Q圖中摩擦表面之間電壓V₁的分布；

（d）V-Q圖中擊穿電壓V_b的分布；

（e）V-Q圖中V_b-V₁的分布，紅色虛輪廓線為0 V，“+”和“-”區域以此輪廓線分開。

圖2 ?證實具有低閾值表面電荷密度的空氣擊穿的存在性

（a） CS模式TENG運行期間空氣擊穿的過程和最終充電密度測量的機理圖；

（b-c）初始和最終電荷密度測量，初始電荷密度為35.8μCm^-2， 插圖顯示相應的電路；

（d-e）初始和最終的電荷密度測量，初始電荷密度為82.3μCm^-2；

（f）六個TENG的最終充電密度的測試結果，虛線表示相同的初始和最終電荷密度，綠色區域表示空氣不擊穿，藍色區域表示空氣擊穿。

圖3 ?各種電荷密度的CS模式TENG的擊穿區域

（a）TENG結構示意圖；

（b-f）具有各種電荷密度的CS模式TENG的擊穿區域（紅色）。

圖4 ?各種電荷密度的CFT模式TENG的擊穿區域

（a）TENG示意圖；

（b-f）具有各種電荷密度的CFT模式TENG的擊穿區域（紅色）。

圖5 ?各種電荷密度的SEC模式TENG的擊穿區域

（a）TENG示意圖；

（b-e）具有各種電荷密度的SEC模式TENG的擊穿區域（紅色）；

（f）顯示三種模式TENG的每個周期的最大有效能量輸出。

圖6 ?不同壓力和氣體環境下TENG的空氣擊穿極限與最大有效能量輸出

（a）帕斯克定律的曲線；

（b-d）不同環境下三種模式TENG的每個周期的最大有效能量輸出。

【小結】

通過一系列理論模擬計算和實驗，證明了低閾值表面電荷密度為40-50μCm^-2的CS模式TENG中，存在空氣擊穿效應， 抑制了TENG在CS、CFT和SEC模式中的能量輸出。研究人員對不同壓力和氣體環境中的TENG能量輸出情況進行了測試，通過與1 atm空氣進行比較，為如何降低空氣擊穿效應，從而提高TENG的有效能量輸出，提供了可能的解決方案。

文獻連接：Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation-Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown（Adv.Funct.Mater., 2017, DOI:10.1002/adfm.201700049）

本文由材料人編輯部盧海洲編譯，趙飛龍審核， 點我加入材料人編輯部。

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