Advanced Energy Materials:界面液体润滑用于同时增强滑动模式摩擦纳米发电机的功率密度和稳定性

摩擦纳米发电机具有质量轻、体积下、成本低廉、材料选择广泛以及低频下(通常自然界中人体行走、风能、流水以及海浪波动的频率都是比较低的频率)输出效率高的特点,已经被证实在分布式机械能收集,以及为物联网时代分布式传感网络提供可持续的能源方面有巨大的潜力。从机械运动的类型和方向出发,摩擦纳米发电机可以分为接触分离和滑动两种类型,并且都能对外产生交流电和直流电。相比于接触分离模式的摩擦纳米发电机,滑动模式的摩擦纳米发电机具有容易封装以及高的电荷转移效率的特点,具有广泛的实际应用前景。

滑动模式的摩擦纳米发电机,不仅能够通过摩擦起电和静电感应的原理产生交流电(称为交流摩擦纳米发电机),而且能够通过摩擦起电和静电击穿的原理产生直流电(称为直流摩擦纳米发电机)。尤其是滑动模式直流摩擦纳米发电机的出现和发展,其不仅能够产生直流电,甚至可以产生恒流电直接驱动电子器件,在高效机械能收集以及自驱动传感方面显示出巨大的潜力。电荷密度作为摩擦纳米发电机的核心性能指标之一,很多的研究工作致力于提高交流/直流摩擦纳米发电机的输出电荷密度,进而提高其输出功率。此外,滑动模式摩擦纳米发电机的磨损问题一直以来是非常棘手的难题。但是,已报道的研究方法仅能通过高真空、超薄介质、电荷泵、接地等方式提高交流摩擦纳米发电机的输出性能,或者通过滚动摩擦、接触和非接触模式的自动切换、液体润滑等方式提高滑动交流摩擦纳米发电机的耐久性,而难以同时实现高输出性能和高稳定性。

北京纳米能源与系统研究所王杰课题组通过在交流摩擦纳米发电机和直流摩擦纳米发电机的界面引入液体润滑剂,实现了同时提升摩擦纳米发电机的输出稳定性和输出性能。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.202002920)上。

研究表明,界面液体润滑极大地抑制了界面空气击穿造成的摩擦电荷损失,因此更多的静电荷可以通过静电感应的方式被交流摩擦纳米发电机收集,或者通过静电击穿的方式被直流摩擦纳米发电机收集。此外,界面液体润滑还极大地提升了交流/直流摩擦纳米发电机的耐久性。性能和稳定性看似是鱼和熊掌不可兼得,但本项研究通过在界面引入合适的液体润滑剂,不仅提升了滑动模式摩擦纳米发电机的输出稳定性,而且极大地提高了摩擦纳米发电机的输出性能,这为摩擦纳米发电机的输出稳定性和性能提升提供了一种普适的方法,极大地推进了摩擦纳米发电机的实际应用。