河南大学程纲团队Nano Energy：摩擦纳米发电机电压测量的电荷补偿校准方法

引言：

物联网（IoT）、人工智能、大数据等的发展需要各种各样的传感器，这些传感器具有数量巨大、分布广泛、无线可移动等特点，为其提供稳定可靠的电能成为亟待解决的问题。开发可以从环境中收集能量并转化为电能的新技术是一种可行的解决方案。2012年，王中林教授发明了摩擦纳米发电机（TENG），可以从周围的环境中收集各种形式的机械能，如风能，水流，机械振动和人体运动等并高效地转化为电能。TENG具有结构简单、成本低、材料来源广泛、低频下能量转换效率高等优势。TENG的工作原理是接触起电和静电感应效应的耦合。当两个摩擦层相接触时，由于接触起电效应，它们的表面会产生等量异号的摩擦电荷。当两种摩擦层在机械力的作用下分离时，将通过静电感应效应在摩擦层背面的电极上产生电势差。在短路状态，电势差将驱动电荷在两个电极之间流动，直到电势差降为零。但是，在理想的开路状态，两个电极上都不应该发生电荷转移。如果在测量电压的过程中，电极上发生了电荷转移，将会使测量的电压值低于实际的电压值。因此，避免电极发生电荷转移，是准确测量电压（开路电压和输出电压）的关键。

研究发现，有两种因素会在电压测量过程中造成电极上发生电荷转移。第一个因素是测量仪器（无论是电压表还是电流表）的接地端。除单电极模式的TENG外，TENG的一个电极与接地端直接连接，这使得电极和大地之间发生电荷转移，造成测量的电压值小于真实值。针对该问题，在之前的工作中，我们提出了非接地的电压测量方法，解决了电表的接地端所带来的电荷转移的问题。第二个因素是电压表的内部电容。内部电容的存在，造成TENG的电极和电容之间发生电荷转移，这会导致电压表测量的电压值小于真实值。因此，需要发展一种普适的策略对电压表测量的电压值进行精确的校准。

成果简介：

近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组的研究成果“A general charge compensation strategy for calibrating the voltage of a triboelectric nanogenerator measured by a capacitive circuit”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。在本工作中，在对电容性测量电路进行分析的基础上，提出了一种通用的电荷补偿策略来校准TENG的测量电压。提出了固定电容反推法和变化电容拟合法两种方法来校准TENG的开路电压（V_oc），并分别给出了校准后V_oc的公式。首先，以水平滑动独立摩擦层模式TENG为例，用两种方法计算了校准后的V_oc，其结果均与利用电流表测量（非电容性测量电路）的V_oc相一致，验证了两种校准方法的正确性。对于TENG的其他三种工作模式，利用固定电容反推法对测量的V_oc进行了校准，验证了该方法的普适性。最后，通过计算包含了电容的等效阻抗，对TENG输出电压随负载阻抗的变化关系进行了校准。本文提出了电荷补偿的策略来校准电压表所测量的TENG的V_oc和输出电压，这对于TENG综合性能评估体系的建立具有重要的理论意义和应用价值。硕士研究生张文河和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

图1. 以水平滑动独立摩擦层模式TENG为例，展示V_oc的非接地电压表测量法中电压表的内部等效电容C_v对感应电荷造成的影响。（a）理想情况下V_oc的非接地电压表测量法的等效电路，电压表等效于开路。（b）实际情况下V_oc的非接地电压表测量法的等效电路，电压表存在C_v，感应电荷会转移到电压表的C_v中。

图2. 以水平滑动独立摩擦层模式TENG为例，对比用校准公式计算V_oc和非接地电流表测量法测量的V_oc。（a）非接地电压表法测量V_oc的等效电路，以及（b）测量结果。（c）测量Q_sc的等效电路，以及（d）测量结果。（e）非接地电流表测量法测量V_oc的等效电路，以及（f）测量结果。（g）对比用固定电容反推法得到的公式计算V_oc和非接地电流表测量法得到的V_oc的波形。（h）变化电容拟合法计算V_oc的等效电路，以及（i）拟合直线得到的V_oc。

图3. 另外三种基本工作模式TENG，对比按照公式计算V_oc和非接地电流表测量法测量的V_oc。水平滑动模式TENG的（a）等效电路，（b）非接地电压表测量法测量的V_oc，（c）Q_sc测量结果，（d）用固定电容反推法得到的公式计算的V_oc，（e）非接地电流表测量法测量的电流和电压曲线。垂直接触-分离模式TENG的（f）等效电路，（g）非接地电压表测量法测量的V_oc，（h）Q_sc测量结果，（i）用固定电容反推法得到的公式计算的V_oc，（j）非接地电流表测量法测量的电流和电压曲线。单电极模式TENG的（k）等效电路，（l）一个电压表的测量结果，（m）Q_sc测量结果，（n）用固定电容反推法得到的公式计算的V_oc，（o）电流表串联电阻测量的电流和电压曲线。

图4. 以水平滑动独立摩擦层模式TENG为例，对比接地电压表测量法和接地电流表测量法得到的输出电压，并校准接地电压表测量法测量的输出电压值。接地电流表测量法（a）和实际情况下接地电压表测量法（b）测量输出电压的等效电路，以及分别测量的输出电压（c）。（d）对比不同的电阻下，等效阻抗与电阻的大小关系。（e）对比在不同的工作频率f下，电压表的C_v并联电阻得到的等效阻抗。（f）展示在等效阻抗下，接地电压表测量法和接地电流表测量法得到的输出电压曲线基本吻合。

文章链接：A general charge compensation strategy for calibrating the voltage of a triboelectric nanogenerator measured by a capacitive circuit

网址链接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106056

本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。

作者简介

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省中原千人科技创新领军人才，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起至今，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文50余篇。主持国家自然科学基金4项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

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