中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林

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随着物联网时代的到来，各种分布式传感器、智能设备愈加普及，其对清洁、可持续、分布式能源的需求急剧增加。作为一种机械能收集技术，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，简称TENG）被认为是一种环境友好、高效、极具潜力的分布式能源解决方案。目前，通过真空、电荷泵和自激励技术， TENG的输出性能已经实现了里程碑式的突破。然而，TENG的长期使用寿命及湿度敏感性成为其发展的另一关键瓶颈。本课题组前期通过摩擦界面液体润滑技术(Advanced Energy Materials  2020, 2000965 )及接触分离旋转模式TENG结构设计(Advanced Energy Materials  2020, 1903024)，已经将TENG的服役寿命大幅度提高至7 200 000个工作循环。但仍然难以同时解决TENG高输出下的长期稳定性及湿度敏感问题。因此，探索新的TENG输出性能增强机制，同时解决TENG的服役寿命及湿度敏感性问题具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

        近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王杰研究员与王中林院士领导的科研团队提出了一种双电容增强技术，可同时大幅度提高TENG的输出功率、服役寿命和耐湿性能。受TENG物理电容模型的启发，本文提出了一种双电容增强摩擦纳米发电机（DCE-TENG）,其工作原理基于TENG低电荷注入及双电容系统中（固定电容Cf和可变电容Cv）的电荷转移。因此，当系统稳定工作时，TENG器件的两个摩擦层仅需轻微摩擦，所产生的电荷就能满足双电容系统的微小漏电流，实现稳定的高输出，且滑动式TENG及设计的双电容系统具有高耐湿特性。利用该双电容增强系统，DCE-TENG的输出功率可提升15倍，连续工作1 000 000个循环后仍保留原始输出的94%，且在相对湿度高达90%环境中仍保留原始输出的95%。本工作对提高TENG的输出性能、使用寿命和耐湿性具有指导意义，将进一步推进TENG的商业化和应用。
        团队提出了一种双电容增强系统，用于同时提高TENG的输出功率、使用寿命和耐湿性能。不同于传统TENG电能输出，该系统利用TENG低电荷注入及双电容系统中（固定电容Cf和可变电容Cv）的电荷转移对外输出电能。通过对输入电压、固定电容容量、可变电容最大容量及双电容比值进行优化，DCE-TENG的输出性能可提升15倍。同时，该系统在连续工作1 000 000个循环后仍保留原始输出的94%，且在相对湿度高达90%环境中仍保留原始输出的95%。研究成果对于探索提高TENG的输出性能、使用寿命和耐湿性具有指导意义，将进一步推进TENG的商业化和应用。
       该项目研究获得国家科技部重点研发项目（No. 2016YFA0202701) 、国家自然科学基金资助项目(No. 61774016、No. 51432005、No. 5151101243、No. 51561145021）、北京市科学技术委员会(批准号：Z171100000317001、Z171100002017017、Y399313DF)等项目资助，谨此感谢。


论文信息：
Achieving Ultrarobust and Humidity-Resistant Triboelectric Nanogenerator by Dual-Capacitor Enhancement System
Linglin Zhou#, Yikui Gao#, Di Liu#, Li Liu, Zhihao Zhao, Shaoxin Li, Wei Yuan, Shengnan Cui, Zhong Lin Wang*, Jie Wang*
Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.202101958
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101958