重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Nature Communications发表研究成果

2021年8月3日，重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Nature Communications上发表了题目为“用于环境中的微能量收集的高性能悬浮自激滑移式摩擦纳米发电机”（High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting）的研究论文。重庆大学为唯一单位，重庆大学硕士生龙梨为第一作者，胡陈果和刘文林博士为共同通讯作者。

摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，被证明是一种有效的分布式能量收集策略。根据驱动模式的不同，可分为垂直接触-分离模式和水平滑动模式。滑动模式将机械能（如往复和旋转）转换为电能时具有高效率、连续性和高输出等特点，极具商业化前景。然而，接触摩擦会导致摩擦界面热损失和磨损，从而降低TENG的表面电荷密度，影响其输出性能。非接触的悬浮滑移模式TENG具有很高的耐久性和几乎100%的理论转换效率(摩擦损失为零)，可以轻松获取微小的运动能量，但非接触模式TENG的感应介质层上预先存在的电荷会快速衰减，导致非常小的输出。已有相关工作通过电荷补充、接触与非接触模式自动切换等方法使非接触TENG的电荷密度和输出功率有了明显的提高，但目前其电输出要实现应用仍然具有很大的挑战。因此，有必要发明一种具有高耐久性和高输出性能的摩擦纳米发电机，实现更广泛和有效的微能量收集与应用。

图示：（a） FSS-TENG用于风能收集的场景图。（b） 旋转式FSS-TENG装置的三维结构示意图。（c） FSS-TENG简化工作原理图。（d） 倍压电路(VMC)的输入/输出节点。（e-h）周期性滑动中的电荷自激励过程。（i）四种工作模式下的动态输出电荷曲线。

为此，在该论文中提出了一种有效避免器件磨损问题且同时提高输出性能的悬浮滑移式电荷自激励摩擦纳米发电机（FSS-TENG）。通过引入倍压电路和二极管使动子电极与定子电极之间形成正反馈，实现输出电荷连续自增以提高输出。研究者分析了FSS-TENG在工作循环中电荷转移机理，为了获得最大的输出电荷密度，从理论和实验两方面给出了非接触式TENG的空气击穿模型。通过结构和材料等参数的优化，当转速为300 rpm时，FSS-TENG的转移电荷量达到1μC (71.53 μC m-2)，峰值功率为34.68 mW，分别是不加电荷激励的悬浮式TENG(F-TENG)的5.46倍和3.88倍。通过使用风杯作为触发器，FSS-TENG能收集3 m s-1低风速风能为道路警告灯供能，也可以连续驱动一些小型电子设备。这项工作为随机环境能量的捕获提供了可靠的策略，实现分布式能量供应。

该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。

文章连接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25047-y