通过量化接触状态和建立电荷激励下的空气击穿模型来最大化摩擦纳米发电机的输出电荷密度

随着便携式、可穿戴设备和物联网的快速发展，大量的工作致力于发展可持续、分散式能源。与此同时，与人类活动有关的环境机械能量为能量收集提供了一个理想的能量源。对比传统的电磁发电机，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators , TENG)由于其质量轻、成本低和高效收集低频能量的优点在收集环境机械能量方面展现了巨大的潜力。然而TENG的输出功率和能量与其电荷密度的平方成正比，目前低的电荷密度严重限制了TENG的进一步发展。

近日，重庆大学物理学院胡陈果教授和郭恒宇教授作为共同通讯作者在Nature Communications 上发表研究论文，基于帕邢定律建立了电荷激励TENG的空气击穿模型（图1），通过多参数调整优化，包括减小电介质厚度、增加外部电容器，控制大气环境等方面，实现了高空气击穿上限（图2）。同时通过定量分析摩擦界面的接触效率，为得到最优化的接触结构提供了一个判断依据。依据上述理论，研究者发明了一种柔性碳凝胶电极，可以将4 μm的介电薄膜接触效率从6.16％提高到54.98％。使用这种柔性碳凝胶电极和4 μm的PEI介电薄膜，在相对湿度为5%的空气环境中，电荷激励TENG实现了2.38 mC m^-2的高输出电荷密度（图3），推动了TENG的进一步发展。

图1. 工作机理和最大的电荷密度

图2. 影响输出电荷密度的重要因素

图3. 具有优化材料和结构的激励电荷TENG的电学输出

图4. 高输出电荷激励TENG的应用

这一成果近日发表在Nature Communications 上，文章的第一作者为重庆大学物理学院硕士生刘怡珂和博士生刘文林。

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Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge density

Yike Liu, Wenlin Liu, Zhao Wang, Wencong He, Qian Tang, Yi Xi, Xue Wang, Hengyu Guo，Chenguo Hu

Nat. Commun., 2020, 11, 1599, DOI: 10.1038/s41467-020-15368-9

课题组介绍

胡陈果，重庆大学教授，博士生导师，国务院特殊津贴专家, Nano Energy副主编，Nano-Micro Letters 编委。博士毕业于重庆大学，曾在美国佐治亚理工学院访学1年。主要从事低维功能材料制备和纳米器件设计及应用等方面的研究，特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新性工作。共发表SCI 论文270 多篇，被引用10000 多次 (Web of Science)，其中，以通讯作者发表《科学》子刊3篇和《自然》子刊2篇，ESI 高被引15篇，H-因子50。主持国家自然科学基金5项和省部级基金4项，参加863课题1项。申请发明专利26 项，获授权21 项，获省部级自然科学一等奖和二等奖各1 项（排名第1），获得中国产学研合作创新成果优秀奖1项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/69078

郭恒宇，重庆大学弘深青年学者特聘教授，博士生导师。博士毕业于重庆大学，美国佐治亚理工学院博士后。主要从事环境能量转化技术和传感技术。已发表SCI论文92篇，其中一作、共同一作、通讯作者论文共计40篇(其中Nature/Science子刊7篇，ESI高被引论文13篇，ESI热点论文1篇)，发表于Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy等杂志。论文共计引用5070余次，H因子40，申请发明专利17项(已获权美国专利1项，中国专利7项)，荣获宝钢优秀学生特等奖，重庆市优秀毕业论文，唐立新奖学金等。