超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發電機性能紀錄

　　人們一直致力于研究在維持現代社會巨大能源消耗的同時最小化環境消耗。從可再生的自然源（如太陽能、風能和生物質能）收集能量，已經被證實是應對能源危機的可持續可供選擇的方向，而且在化石燃料快速消耗的今天扮演著越來越重要的角色。最近發明的摩擦納米發電機具有質量輕、價格低廉，甚至在低工作頻率下仍然高效等先天優勢，已經被證實是一個具有深遠意義的解決方案。通過收集環境中的機械能——日常生活中普遍存在卻被浪費掉的能量，摩擦納米發電機在自驅動傳感網絡和大規模可再生藍色能源領域均有很好的應用前景。

　　作為一種能量收集器件，摩擦納米發電機的應用及商業化強烈地依賴于它的功率密度，而功率密度又與摩擦電荷密度成二次方關系。因此，人們一直致力于通過改善材料、結構優化和表面修飾等方法來提高摩擦電荷的密度，但此前所有研究中的可利用摩擦電荷密度都受到空氣擊穿現象的困擾。

　　近日，在中國科學院外籍院士、中科院北京納米能源與系統研究所所長、佐治亞理工學院校董教授王中林的指導下，王杰、吳昌盛和戴葉婧等首次利用真空環境和鐵電材料將可輸出摩擦電荷密度提高了一個數量級、最大輸出功率密度提高了兩個數量級。基于常規的由銅薄膜和聚四氟乙烯薄膜組成的摩擦納米發電機，科研人員先是利用軟接觸和碎片結構使摩擦表面得到更為有效的利用，將空氣中的摩擦電荷密度從50 μC m-2增大到120 μC m-2。接著，利用高真空環境將空氣擊穿的影響降至最低，把摩擦電荷密度進一步提升到660 μC m-2，創造新的歷史紀錄。最后，研究人員在聚四氟乙烯薄膜下引入鐵電材料，將摩擦起電的表面極化和鐵電材料的磁滯介電極化進行耦合，使得摩擦電荷密度進一步躍升到1003 μC m-2。這把即使是在普遍低速運動下（2 Hz）的傳統摩擦納米發電機的最大輸出功率密度提高了兩個數量級，從0.75 W m-2提高到了50 W m-2。

　　這些研究結果極大地提高了基于摩擦生電的納米發電機（TENG）的輸出能量，不僅刷新了TENG的性能記錄，同時還建立了新的優化模式。研究所用到的高真空環境不僅能保證TENG的更好性能，同時排除了由于自然的灰塵和空氣水分積累帶來的性能下降。這些都能夠顯著提高基于TENG的自供電可穿戴電子器件和藍色能源網絡的應用前景。該工作也提供了對于制約TENG性能的因素的新見解，并有利于揭示長期懸而未決的摩擦起電機理以及它的動力學過程。

　　相關研究成果近日發表在《自然-通訊》（Nature Communication）雜志上（DOI: 10.1038/s41467-017-00131-4）。

輸出電荷密度對比圖