王中林院士Nano Energy：电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机

【本文亮点】

（1）提出了一种浮置层结构，可以积累并束缚超高密度电荷，用于静电感应

（2）设计了一种电荷泵，可以持续地向浮置层中泵送电荷

（3）在普通环境条件下，基于浮置层结构和电荷泵的电荷自泵浦TENG集成器件实现了1020μC/m²的超高有效表面电荷密度

（4）这项工作提出了一个简单而普遍的策略，可以大幅提高TENG的电荷密度以及输出

【引言】

摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起电及静电感应效应。表面电荷密度对于摩擦纳米发电机的性能至关重要。一般而言，TENG的输出功率与表面电荷密度呈二次方关系。在一定的接触或摩擦强度下，电荷密度主要受限于两个方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦材料配对的摩擦起电能力，二是由气隙击穿引起的电荷损失。现有已提出了基于材料选择、表面改性、结构优化或环境控制等多种方法以提高电荷密度，但是这些方法仍存在着很多方面的限制，在电荷稳定性上还存在问题，或在封装等方面提出了较高的要求。

【成果简介】

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林院士和张弛研究员（共同通迅作者）的带领下，许亮博士和布天昭等人组成的研究团队为提高TENG器件的电荷密度，设计了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的电荷自泵浦摩擦纳米发电机（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所设计的浮置层结构可以积累并束缚超高密度电荷，并产生静电感应效应，电荷泵浦可以持续地向浮置层中泵送电荷，基于两者的SCP-TENG器件在普通环境条件下，实现了1020μC/m²的超高有效表面电荷密度，达到了空气击穿电荷密度阈值的4倍左右，创造了新的电荷密度记录。更为重要的是，这项工作提出了一个简单而普遍的大幅提高TENG的电荷密度以及输出的策略，使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度，因此，在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力。由于电荷密度的提升不再依赖于更强烈的摩擦，也解决了摩擦生热及器件耐久性的问题。在电磁式发电机中，广泛采用的电磁铁通过电流激发磁场，与此相似，本工作提出采用注入束缚电荷来取代摩擦静电荷而激发电场，这一思想将可能对TENG性能的提升产生重要影响。相关成果以“Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators”为题发表在了Nano Energy上。

【图文解析】

图1 器件结构和工作原理

（a）电荷泵浦原理示意图；

（b）带有泵浦TENG的浮置层结构的工作过程；

（c）器件及负载之间能量传输的示意图；

（d）电荷自泵浦TENG（SCP-TENG）集成器件的结构示意图；

（e）制作的SCP-TENG器件的结构和材料的爆炸视图；

（f）制作的SCP-TENG的照片；

（g）泵浦TENG的介电层表面上制备的纳米结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图2 浮置层结构的理论模型

（a）对应的常规TENG的结构示意；

（b）浮置层结构器件的结构示意和电容模型。

图3 采用电压源进行初始化的浮置层结构的电输出特性

（a）在不同初始化电压下的短路转移电荷量，插图为实验电路；

（b）初始化电压为250 V时的短路电流；

（c）不同电阻负载下的输出电流、电压和峰值功率；

（d）不同初始化电压下的电荷输出随时间的衰减。

图4 SCP-TENG的电学输出特性

（a）不同尺寸泵浦TENG的短路转移电荷量；

（b）处于接触状态下的浮置层在电荷泵浦下的电压变化；

（c）带有不同尺寸泵浦TENG的SCP-TENG的短路转移电荷量的增强过程；

（d-f）SCP-TENG的典型短路电流、整流电压和转移电荷量；

（g）采用4×4cm²泵浦TENG的SCP-TENG的泵送电荷量及输出转移电荷量，插图为放大图和测量电路；

（h）本工作在普通环境条件下实现的超高电荷密度及与现有其它工作的比较。

图5 SCP-TENG驱动应用负载的展示

（a）直接驱动600个LED灯；

（b）直接驱动LED大灯珠；

（c）用于给电容充电并驱动电子设备的电路示意图；

（d）SCP-TENG对不同电容的充电性能；

（e，f）SCP-TENG驱动无线发射器的照片和充-放电曲线；

（g，h）SCP-TENG为风速计（g）和温度计（h）供电的充放电曲线，插图分别显示了被驱动的风速计和温度计。

【总结与展望】

本文提出了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的SCP-TENG器件。通过浮置层结构积累并束缚超高密度电荷，采用电荷泵浦持续高效地向浮置层中泵送电荷，在普通环境条件下实现了1020μC/m²的超高有效表面电荷密度，创造了新的电荷密度记录。更重要的是，与其他电荷密度增强方法相比，这种方法容易实现且十分稳定，使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度，因此，在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力，为提升TENG器件的电荷密度以及输出性能提供了一个重要而普遍的策略。

【文献链接】

Liang Xu^#, Tian Zhao Bu^#, Xiao Dan Yang, Chi Zhang^*, Zhong Lin Wang^*, Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators, Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.011（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303264）