Advanced Energy Materials:直流摩擦纳米发电机

摩擦电纳米发电机作为一种新兴的能源技术,可将周围中各式各样的机械能有效地转换为电能,特别是在收集微小和低频的机械能方面有着无可比拟的优越性。在传统的摩擦纳米发电机中,通过周期性地改变带相反电荷的材料之间的距离或接触面积来获得脉冲的交流电输出。需要一些必要的整流措施例如:整流桥、电刷和电源管理电路等,来获得适合驱动电子设备和储存的直流电信号,但这在一定程度上降低了摩擦纳米发电机的便携性和能量利用效率。此外,脉冲交流输出会导致较高的峰值因子(输出信号的峰值与均方根之比),即使在整流后,传统摩擦纳米发电机的峰值因子仍然很高,这意味着输出不稳定。这些摩擦纳米发电机的传统固有输出特性限制了其更广泛的应用。在这种情况下,发展一种可将机械能直接转换为直流电能的新型摩擦纳米发电机就显得格外重要。

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员及其合作者对直流摩擦电纳米发电机的最新进展进行了全面的总结。作为摩擦纳米发电机家族中的新成员,采用新材料和结构的直流摩擦电纳米发电机可产生直流输出,更适合储能和直接驱动电子产品。

研究人员回顾了直流摩擦纳米发电机的发展,重点关注基于各种策略的直流摩擦纳米发电机的工作原理。根据材料分类,可分为基于绝缘体的直流摩擦纳米发电机和基于半导体的直流摩擦纳米发电机。首先介绍了通过相位耦合和介电击穿实现直流输出的的绝缘体直流摩擦纳米发电机,各种基于绝缘体的摩擦纳米发电机的直流电压输出可以达到千伏,而且其峰值因子接近1。随后介绍了具有更低内部阻抗和拥有更高输出电流密度的基于半导体的直流摩擦纳米发电机。详细讨论和介绍了半导体界面处的摩擦隧穿和摩擦伏特效应中的电荷转移过程。最后研究人员总结了影响直流摩擦纳米发电机的输出的重要因素和主要应用,讨论了直流摩擦纳米发电机的可能挑战和未来的发展方向。

通过对直流摩擦纳米发电机这个新兴能源技术的第一次的总结与回顾,研究人员期待吸引科研界更多的关注和努力。随着对直流摩擦纳米发电机的更多研究的出现,有望在该领域取得更大的突破。相关论文发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202002756)上。