AEM：基于电荷泵浦策略的高功率旋转摩擦纳米发电机

【引言】

摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）基于摩擦起电和静电感应，可将环境中机械能有效转化为电能，相应发展的微纳能源、自驱动系统以及蓝色能源等技术将为物联网、可植入器件、可穿戴设备、海洋开发等重要新兴领域提供能源技术基础。现阶段摩擦纳米发电机进一步走向实际应用还存在两个方面的瓶颈：一是摩擦所产生的表面电荷密度较低，使得器件的输出性能还不能满足很多实际应用的需求；二是摩擦界面处的材料磨损和发热会影响器件的耐久性，尤其是对旋转式和滑动式摩擦纳米发电机，这一问题更为突出。

2018年报道的电荷泵浦策略和电荷自泵浦摩擦纳米发电机（Nano Energy，2018，49，625）为解决这些问题提出了重要的思路，即通过浮置导电层来约束电荷，并通过泵浦发电机实现向浮置层中注入电荷。在电磁发电机中，广泛采用的电磁铁通过电流激发磁场，与此类似，电荷泵浦策略采用注入束缚电荷来取代摩擦静电荷而激发电场，浮置层中的束缚电荷密度理论上仅受限于介电击穿强度。基于此策略，首次在大气环境下将有效电荷密度提升到1mC/m²以上，达到1.02mC/m²，实现了重要突破。然而，该工作基于接触分离式摩擦纳米发电机，由于此模式固有的输出性能局限性，器件平均输出功率虽得到了增强，但仍未达到大功率应用的需求。需要研究在独立层模式旋转摩擦纳米发电机等性能更好的器件中应用电荷泵浦策略，实现更高功率的输出。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所成功将电荷泵浦策略应用于旋转式摩擦纳米发电机（Rotary charge pumping triboelectric nanogenerator，RC-TENG）中，实现了低频激励下的高输出性能。RC-TENG由主TENG和泵浦TENG两部分构成，泵浦TENG为普通旋转式TENG结构，主TENG主要包括存储电极和输出电极。两部分通过一种新颖的同步旋转结构连接，使得电荷可以高效可靠地从泵浦TENG注入到主TENG的存储电极中。这些存储电极中的约束电荷可产生类似于摩擦表面电荷的作用，在输出电极中产生感应输出。由于电荷可以不断地注入存储电极，使得其实现的电荷密度远高于普通方法所能实现的摩擦电荷密度。同步旋转结构的设计使得无需任何电刷即可实现上述功能，增强了器件的可靠性。单个器件即可达到4.5μC的转移电荷量，电荷密度约为对照的普通旋转TENG的9倍，2Hz的低频驱动下最大平均功率和平均功率密度分别可达到78mW和1.66kW/m³，是对照的普通TENG的15倍以上，同时具有小于1s的超快输出饱和速度。此外，该结构的高扩展性可以实现泵浦TENG对多个主TENG的同时激励。当集成4个主TENG时，2Hz低频驱动下可达到658mW的最大峰值功率和225mW的最大平均功率。该结构设计也可有效应用到滑动式TENG中。另外，对于普通结构的旋转式TENG，提高电荷密度往往需要更加强烈的摩擦，这会导致材料磨损和发热问题。电荷泵浦策略解耦了电荷密度和摩擦强度之间的关联，使得在低摩擦情况下也能产生高电荷密度，并可以在界面处通过添加润滑剂来抑制磨损。基于电荷泵浦策略的旋转式TENG将进一步推动解决TENG的功率输出及耐久性瓶颈问题，促进高功率TENG在蓝色能源等领域的实际应用。相关成果以“Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators”为题发表在了Advanced Energy Materials上。

【图文导读】

图1 器件结构和工作原理

a.器件结构和材料示意图

b.主TENG和泵浦TENG的转子和定子照片

c.电路连接图

d.工作原理示意图

e.器件的典型输出（短路电流和转移电荷量）

图2 基于直流高压电源测试主TENG性能

a.直流高压电源取代泵浦TENG为主TENG提供电荷的示意图

b.不同电荷源电压下的主TENG开路电压和短路电流

c.当电荷源电压保持为1000V时，主TENG在不同负载下的输出电流和电压

d.当电荷源电压保持为1000V时，主TENG在不同负载下的平均功率

图3 泵浦TENG的性能表征

a.一对泵浦TENG在不同驱动频率下的短路电流和转移电荷量

b.一对泵浦TENG的开路电压曲线

c.一对泵浦TENG的转移电荷量曲线

d.一对泵浦TENG的短路电流曲线

图4 单个主TENG由一对泵浦TENG注入电荷时的输出性能

a.不同驱动频率下的转移电荷量和短路电流

b.不同驱动频率下的电荷注入时间

c.转移电荷量曲线

d.短路电流曲线

e.泵浦TENG注入的电荷量与主TENG的总输出电荷量的对比。插图为注入电荷量放大图

f.不同负载下的平均功率

图5 四个并联主TENG由一对泵浦TENG注入电荷时的输出性能

a.每个主TENG的短路电流和转移电荷量

b.并联的主TENG的数量变化时的短路电流和转移电荷量

c.并联的主TENG的数量变化时的电荷注入时间

d.不同负载下的输出电流、峰值功率和平均功率

e.对不同电容的充电性能，插图为对电容充电的电路

f, g. RC-TENG驱动一组灯

h, i. RC-TENG驱动LED阵列

【小结】

本文首次将电荷泵浦策略应用到旋转及滑动式摩擦纳米发电机中，基于一种新颖的同步旋转结构实现高效可靠地从泵浦TENG向主TENG中注入约束电荷。单个器件可实现4.5μC的高转移电荷量，相较对照的普通TENG提升9倍，平均功率提升15倍，从而在低频驱动下实现高功率输出。另外，器件具有优异的可扩展性，可实现一对多的电荷注入。电荷泵浦策略解耦了电荷密度和摩擦强度之间的关联，使得在低摩擦情况下也能产生高电荷密度。该器件将进一步推动解决TENG的功率输出及耐久性瓶颈问题，促进高功率TENG在蓝色能源等各个领域的实际应用。

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

相关论文：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