Advanced Energy Materials:同时利用静电感应和静电击穿效应收集机械能的双模式摩擦纳米发电机

从环境中收集分布式、绿色可持续能源实现自驱动微型传感器、物联网和人工智能机器是未来科技发展的重要方向。摩擦纳米发电机(TENG)由于结构简单、成本低、质量轻等诸多优点,可以有效的收集和利用环境中无处不在的低频机械能,是解决能源危机的有效办法之一。传统交流摩擦纳米发电机(AC-TENG)主要基于摩擦起电和静电感应的耦合作用来产生交流电,但是静电击穿效应导致的表面电荷耗散,及最大表面电荷密度实现后造成的摩擦起电无效性,极大降低了TENG的输出性能及能量转换效率。该团队前期工作通过摩擦起电和空气击穿原理设计了一种新型直流摩擦纳米发电机(DC-TENG),无需整流桥即可输出恒电流直接驱动电子器件或能量存储设备。因此,摩擦起电效应产生的静电荷可通过静电感应效应或者静电击穿效应转换为电能,摩擦起电产生的总电荷可以近似地看作是通过AC-TENG和DC-TENG收集电荷的总和,两者互为补集。然而,以往的工作只能通过AC-TENG或DC-TENG收集机械能,而难以同时获取其中的另一部分摩擦电荷,造成能量损失。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和王杰研究员团队(共同通讯作者)针对该问题设计了一种同时利用静电感应和静电击穿效应收集机械能的双模式摩擦纳米发电机,通过同时收集空气击穿电荷和介质表面的感应电荷提高摩擦效率及能量转换效率,提高了摩擦纳米发电机的总输出性能。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202000965)上,中科院北京纳米能源与系统研究所周灵琳博士后、刘迪博士生和李绍欣博士生为论文共同第一作者。

具体而言,双模式 TENG在一个循环中产生的部分摩擦电荷可以通过静电击穿效应收集,介质材料表面剩余的摩擦电荷可以通过静电感应收集,因此在单一器件中同时实现了交流电和直流电的输出。同时,静电击穿导致的介质表面电荷降低有利于双模式TENG在下个循环中产生新的摩擦电荷,提高摩擦效率并降低空气击穿造成的能量损失。文中,双模式TENG的输出为基于单一工作机制TENG输出的总和,验证了基于互补工作机理,实现了摩擦电荷收集的最大化,提高TENG总体输出性能。值得说明的是,基于双模式 TENG,这篇文章研究了介电层厚度对摩擦起电、静电感应和空气击穿的影响规律,即超薄介质层利于通过静电感应收集电荷,而介质层厚度对静电击穿效应影响甚微,该研究结果可以指导AC-TENG和DC-TENG的优化。本工作展示了优化提升TENG输出性能的新方案并且为研究摩擦起电、静电感应和空气击穿效应提供了新的途径。