重庆大学胡陈果教授课题组Nature Communications：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

【背景介绍】

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展现了巨大的潜力在收集环境机械能量方面。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的限制了TENG的进一步发展。

因此，大量的工作从摩擦材料的选取、材料改性、环境控制、电荷泵等多方面来致力于改善TENG的输出电荷密度，有效的将TENG的电荷密度从最初的0.040 mC m^-2提升至1.03mC m^-2的电荷密度，扩展了TENG的应用范围。2019年，该课题组报道了一种基于倍压电路的外电荷激励TENG和自电荷激励TENG，通过电荷激励实现高达1.25 mC m^-2的输出电荷密度。虽然这些方法确实可以一定程度上提高TENG的输出电荷密度，但是这种提高依然没有达到TENG在空气击穿范围内所允许的最大电荷密度。因此，进一步提高TENG的输出电荷密度，对TENG投入实际应用有着重要意义。

【成果简介】

近期，重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队在 Nature Communications上发表题目为“Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge density”的研究论文。重庆大学硕士生刘怡珂和博士生刘文林为共同第一作者，重庆大学胡陈果教授和佐治亚理工大学郭恒宇博士后为共同通讯作者。该论文基于电荷激励摩擦纳米发电机提出了一种量化TENG接触状态的方法，建立了电荷激励型TENG的空气击穿模型，并进一步提高了电荷激励型TENG的输出电荷密度。

一方面研究者提出了一种定量评估TENG接触状态的方法，基于该方法可以测得TENG在正常工作时的有效接触面积和接触效率；另一方面基于帕邢定律，研究者成功建立了电荷激励TENG的空气击穿模型。通过使用自制的柔性碳凝胶电极和4μm的PEI介电薄膜，在相对湿度为5%的环境空气中，在外电荷激励下，TENG实现了2.38 mC m^-2的高输出电荷密度。更深入地，基于定量的表面接触效率揭示了TENG电极中的实际电荷密度（超过4.0 mC m^-2），提供了一种判断TENG最大输出电荷密度的前瞻性技术方法，有助于将TENG的输出性能推向更高水平。

【全文总结】

本文基于帕邢定律建立了电荷激励TENG的空气击穿模型，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。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4μm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4μm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，推动了TENG的进一步发展。

【图文导读】

图一：工作机理和最大的电荷密度

a，电荷激励TENG的结构示意图。

b，电荷激励TENG的基本工作机制。

c，电荷激励TENG的等效物理和电学模型以及一些关键参数。

d，使用Comsol Multiphysics在一定气隙距离下模拟的主TENG的电势分布。

e，在不同的A值下的Paschen曲线，以及在一定电荷密度下的具有不同介电层厚度的顶电极与介电层之间的电压曲线。

f，在不同的介电层厚度和大气常数A下，受空气击穿限制的最大电荷密度。

图二：影响输出电荷密度的重要因素

a，由不同厚度的电介质制成的电容器的电容。

b，使用刚性电极（上）和软凝胶电极（下）时的接触状态示意图。

c，具有六种不同优化结构的主TENG器件的电容。

d，电荷激励TENG在利用电压源激励时的电学方案。

e，施加不同偏置电压时的输出电荷密度。

f，具有不同介电膜厚度的电荷激励TENG的实验和理论电荷密度。

g，当环境湿度变化时，电荷激励TENG的输出电荷密度。

h，具有六种不同优化结构的主TENG的有效接触面积和实际电荷密度。

i，六种不同优化结构的有效接触面积和真实电荷密度。

图三：具有优化材料和结构的激励电荷TENG的电学输出

a，电荷激励TENG的输出电荷和电压曲线。

b和d，不使用/使用稳压二极管的电荷激励TENG电荷密度输出。

c和e，放大的初始电荷累积曲线（向上）和饱和输出状态（向下）

f，TENG的输出电荷密度比较。

g，不同外部负载下的输出电流，电压和峰值功率。

h， 电荷激励TENG的V-Q曲线。

图四：高输出电荷激励TENG的应用

a,b，电荷激励TENG在5 Hz工作频率下的电流密度和电压输出。

c，使用电荷激励TENG直接为数百个LED供电。

d，电荷激励TENG为电容器充电的电路图。

e，使用电荷激励TENG为电容器充电的充电曲线。

f，电荷激励TENG在5 Hz的工作频率下为温湿度计供电。

g，电荷激励TENG的长期稳定性测试。

文章链接：（Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge density）

https://www.nature.com/articles/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。

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，在摩擦纳米发电领域世界排名前25的科学个人中排名第五。