摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator，TENG）基于摩擦起電和靜電感應(yīng)，可將各種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴器件、自驅(qū)動(dòng)傳感，生物醫(yī)學(xué)、藍(lán)色能源等諸多方面具有重要的應(yīng)用。表面摩擦電荷密度對(duì)于摩擦納米發(fā)電機(jī)的性能至關(guān)重要，一般實(shí)現(xiàn)的電荷密度均在250μC/m2以下，低電荷密度使得高功率摩擦納米發(fā)電機(jī)研究一直難以突破。中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2018年首次提出了電荷泵浦（Charge pumping）的策略，通過泵浦產(chǎn)生約束電荷，基于接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了1020μC/m2的電荷密度，突破了一般的認(rèn)知，達(dá)到了通常認(rèn)為在大氣環(huán)境下無法達(dá)到的超高電荷密度，向?qū)嵱没母吖β势骷膶?shí)現(xiàn)邁出重要一步。而為推動(dòng)器件的功率進(jìn)一步突破，需要將泵浦策略應(yīng)用于輸出性能更好的旋轉(zhuǎn)式或滑動(dòng)式的摩擦納米發(fā)電機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)首次提出了一種新穎的同步旋轉(zhuǎn)泵浦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高功率的旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī)。相關(guān)結(jié)果以Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators為題發(fā)表在了Advanced Energy Materials上（DOI: 10.1002/aenm.202000605）。北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com

在該器件中，設(shè)計(jì)了泵浦發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)兩種子結(jié)構(gòu)，并基于一種同步旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行同軸串聯(lián)。泵浦發(fā)電機(jī)由普通摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過一對(duì)泵浦電極產(chǎn)生輸出，而主發(fā)電機(jī)主要包括相對(duì)旋轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)電極和輸出電極，泵浦電極通過整流向存儲(chǔ)電極中注入電荷，這些電荷約束在存儲(chǔ)電極中，其作用類似于普通的摩擦電荷，也可以在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的輸出電極中產(chǎn)生感應(yīng)輸出。但由于存儲(chǔ)電極中可以不斷的注入電荷，其電荷密度可比普通摩擦靜電荷高很多，密度極限取決于電介質(zhì)的擊穿。在這種設(shè)計(jì)下，表面不再需要強(qiáng)烈的摩擦來產(chǎn)生靜電荷，從而使得約束電荷的產(chǎn)生與表面摩擦強(qiáng)度解耦，在產(chǎn)生高功率輸出的同時(shí)，發(fā)熱和磨損得到抑制。器件采用的同步旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)使得無需使用任何電刷即可實(shí)現(xiàn)上述功能，保證了器件的可靠性。單個(gè)器件可實(shí)現(xiàn)4.5μC的轉(zhuǎn)移電荷量，與對(duì)照的普通摩擦納米發(fā)電機(jī)相比，電荷量增強(qiáng)約9倍，功率增強(qiáng)約15倍，并可在1s內(nèi)使輸出上升到飽和值。該器件還可由單一泵浦發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)主發(fā)電機(jī)。當(dāng)采用一對(duì)泵浦發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)主發(fā)電機(jī)時(shí)，在2Hz的低轉(zhuǎn)速下，實(shí)現(xiàn)了225mW的平均功率。相較此前基于接觸分離式結(jié)構(gòu)的泵浦器件，該器件在平均功率和飽和時(shí)間方面均有大幅性能提升。隨著后續(xù)器件參數(shù)的優(yōu)化，器件性能將有可能得到進(jìn)一步增強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)也可擴(kuò)展到滑動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)中。作為一種高性能基礎(chǔ)元件，該器件可以廣泛適應(yīng)于連續(xù)或間歇的激勵(lì)，應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)并收集環(huán)境機(jī)械能，如風(fēng)能、波浪能等，實(shí)現(xiàn)高功率的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和新型的清潔能源，其優(yōu)異的性能也將推動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)在上述領(lǐng)域更快取得實(shí)際應(yīng)用。北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com

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