西南大学宋群梁、重庆大学郭恒宇，EES新成果：新概念仿生全电流纳米发电机

一、【导读】

21世纪，随着以新兴物联网为代表的智能时代的到来，单纯利用传统的低熵能源和电池技术很难满足对分布式能源大量、无线、清洁、可持续的严苛要求。水运动在地球上无处不在，但大多数在自然界中以高熵能源的形式存在。在物联网时代，从环境中捕获这种高熵水能(如雨滴能)的策略极具吸引力。目前，基于位移电流纳米发电机（DCNG）的纳米能源系统往往会面临高效率与复杂性难以调和的内在矛盾。这是因为，经典的纳米发电机通常采用位移电流作为驱动力从而输出交流电，这将不可避免地面临复杂电源管理问题，从而导致能量采集系统体积庞大、损耗增加、成本高昂。为了克服这一棘手问题，本工作尝试跳出DCNG设计理念的束缚，从问题的源头——电流的固有属性出发对纳米发电机的理论和设计做出一些新的思考。

在本课题组前期工作(J. Dong, Q. L. Song* et. al, Nano Energy, 2021, 90: 106567.)中，我们基于时空电荷分离原理，首次构建了具有独特水电荷梭（water charge shuttle）架构的直流液滴纳米发电机平台。在此研究基础之上，受电鳐发电机理的启发，我们研制了一种基于液固接触起电的高性能阵列化液滴纳米发电机，并揭示了该类纳米发电机实现时空电荷分离原理背后的物理学本质：以麦克斯韦-安培定律为理论基础，该发电机利用位移电流和传导电流共同作为驱动力，无需外部整流器即可直接输出高压直流电。

二、【成果掠影】

近日，来自西南大学宋群梁课题组的董君博士与重庆大学郭恒宇教授合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“A bio-inspired total current nanogenerator”的研究文章。该工作受到电鳐启发，研制了一种高性能直流液滴纳米发电机。不同于经典的位移电流纳米发电机，该纳米发电机利用位移电流和传导电流共同作为驱动力，无需整流器即可输出高压直流电。这个新概念器件被定义为全电流纳米发电机，它具有紧凑阵列架构、高压直流输出、可控能量释放等特点，成功实现了如同电鳐一般瞬间释放“高压电击”的这一能力。由于该纳米发电机的输出电压高达3000伏，一次放电足以点亮1260多盏高亮LED，展示了其无与伦比的高熵水能采集能力。本研究提出的全电流纳米发电机有可能同时满足高性能、小型化、低成本、长寿命的应用要求，这将极大地促进分布式水能收集的实际应用。

图1. 电鳐启发的液固全电流纳米发电机架构设计与应用。© RSC Publication

三、【核心创新点】

1、揭示了直流液滴纳米发电机实现时空电荷分离原理背后的物理学本质，并首次提出全电流发电新理念。

2、基于该原理构建的液滴纳米发电机可以轻易完成阵列化拓展，并实现了可控释放“高压电击”（高瞬时功率输出）的能力。

四、【数据概览】

• 基于位移电流纳米发电机的纳米能源系统设计所面临的挑战

关于位移电流纳米发电机的能量采集系统设计方面的研究已经取得了许多重大进展。然而，由于固有交流属性局限，当研究重点从基础器件开发转向实际系统应用时，就不可避免地会面临电源管理问题。首先，它需要一个交直流转换单元；其次，它往往需要一个带有开关的能量存储单元来按需积累和释放能量。第三，当器件用于大规模集成应用时，还需要解决交流相位异步问题。此外，为了进一步提高能量转换效率，还需要采取更多的措施，如电荷激励，或升降压等。因此，基于DCNG的液滴能采集系统必须依赖于复杂电源管理电路（PMC）来满足能量最大化输出要求，如图2a所示。不幸的是，现实中PMC功能越完美，系统就会越臃肿。特别是在液滴能采集方面，这一问题变得极具挑战性。由于单个液滴能采集单元产生的能量很小，需要将其组装成简单、高效、稳定的大规模阵列或网络，才能满足应用要求。我们认为，只有开发集发电、转换和储存功能于一身的一体化器件新策略（如图2b所示）才有可能是同时平衡性能和系统复杂性的理想选择。

为此，我们发明了一种基于液固接触起电的仿生全电流纳米发电机。该纳米发电机具有阵列结构紧凑、高压直流输出、能量释放可控等特点，其设计思想来源于电鳐。该器件可以通过多个通道从液滴中收集电荷，互不干扰，并输出高达3000伏电压的直流电。通过分析基于液滴的AC-TENG（图2 c和e）和TC-TENG（图2 d和f）的代表性物理过程和输出属性，进一步证明了全电流纳米发电机在解决上述挑战中的优越性。

图2 基于位移电流纳米发电机和全电流纳米发电机的纳米能源系统对比，并进一步分析了基于液滴的AC-TENG和TC-TENG的代表性物理过程和输出属性。© RSC Publication

• 从位移电流到全电流发电理念的范式转换

根据麦克斯韦-安培定律，基于纳米发电机的纳米能量系统中的电流包括传导电流和位移电流，两者的作用相互关联。一般认为，AC-TENG的能量产生从根本上源于位移电流(∂D/∂t)，它包括电场的变化项(∂E/∂t)和动生位移电流项(∂P_s/∂t)。由此可见，在传统的基于AC-TENG的纳米能源系统中，位移电流是纳米发电机实现发电的唯一驱动力，传导电流通常用于驱动外部负载。因此，内部纳米发电机与外部负载之间通常不存在载流子交换，而I_d实际上就是它们之间的连接。如图2 c和e所示，由于这种情况下的I_c随D同步变化，其继承的AC特性使其难以被充分利用和有效转换。PMC的作用是管理I_c，使来自纳米发电机的能量可以被最大化提取并被外部负载高效利用。

然而，我们认为仅以位移电流作为驱动力的发电机理只代表了其中最典型的机理场景，并不能涵盖纳米发电机中所有发电机理。在此，我们提出了一种利用全电流作为驱动力的纳米发电机范式转换发电机制，从而使我们能够最大限度地从纳米发电机中提取能量。在该全电流纳米发电机中，通过对电流I_d进行控制，然后将电流I_d转化为电流I_c，实现了纳米发电机两个电极上载流子的时空分离和积累过程。如图2 d和f所示，由于这种情况下的I_c具有直流属性，因此可以在最大化能量输出循环中被充分利用，这将会消除用于能量提取和整流的电源管理模块，从而极大简化能量收集系统，有望构建一体化片上发电站。

• 仿生器件架构设计

电鳐的电器官结构提供了新启示：单柱状发电单元产生的直流输出相对较低，不足以让电鳐击晕猎物或自我防卫。但是，当上千个发电单元组成一个有序的柱状阵列，并通过神经控制同时释放阵列中存储的能量时，会产生瞬态强放电。受此启发，我们开发了一种基于液滴的全电流摩擦纳米发电机阵列(TC-TENG)，该阵列发电机由具有多通道结构的直流摩擦纳米发电机和具有能量管理功能的电压触发控制器组成。在该TC-TENG中，将穿梭于两个电极之间的WCS作为一个独立的发电单元来模拟电鳐的发电单元。采用电压触发控制器实现电鳐神经系统的能量释放功能。该TC-TENG可以利用多通道同时从水源中采集不规则的高熵液滴能量，然后将能量汇聚在电极上，无需整流单元直接转换为直流输出。由于直流输出的TC-TENG可以避免相位同步问题，非常适合阵列扩展，在大规模分布式水能收集应用中显示出无可比拟的优势。

图3 电鳐启发的全电流纳米发电机架构设计。© RSC Publication

• TC-TENG构建纳米能源系统的性能演示

TC-TENG利用液固接触起电效应将水能转化为直流电，不仅理论上使用寿命长，而且无需整流单元即可单独直接驱动电子器件。图4展示了TC-TENG输出性能。首先演示了TC-TENG直接驱动1260个串联彩色LED的能力。这一结果表明它具有超高的输出电压，远高于目前报道的基于液滴的纳米发电机。其次，我们用优化的控制器演示了TC-TENG的高输出性能，可同时点亮400个高亮红色LED。此外，从图4 d和e可以看出，TC-TENG通过控制器优化后输出电流从0.6 μA增加到60μA，电流增加了100倍；每次可转移的电荷量也增加到132 nC。因此，LED面板的亮度得到大大增强。

图4 TC-TENG的输出性能演示。© RSC Publication

鉴于该TC-TENG的出色能力，我们进一步展示了一个自供电交通灯系统的演示原型，该系统可在偏远地区的雨天收集分布式水能(见图5)。此外，通过收集自然界中的雨滴、溪流、瀑布和喷泉等水源的能量，TC-TENG还可以为岛屿信号灯、全球定位系统、生态监测系统和应急电源提供能量。该基于TC-TENG的纳米能源系统具有能源效率高、管理电路简单、制造成本低、易于集成化生产等优点，非常适合组装成大规模水能收集系统，在蓝色能源收集领域具有巨大应用潜力。

图5 TC-TENG在分布式水能收集中的潜在应用场景。© RSC Publication

四、【成果启示】

基于位移电流纳米发电机的纳米能源系统面临着高效率与复杂性的内在矛盾，这意味着AC-TENG必须利用复杂的电源管理模块来最大限度地提高从纳米发电机中提取的能量。在这项工作中，提出了一种基于全电流概念的仿生直流TENG，称为TC-TENG。该TC-TENG在多通道WCS架构内实现位移-传导电流转换过程，并将发电、转换和存储功能集成在一体化器件中，从而可以通过液固接触起电将水动能直接转换为高压直流电。该工作为基于液固接触起电的TENG理论和技术提供了新的见解，有望促进纳米发电机从器件级到系统级的研究范式转变。更重要的是，这项工作中提出的全电流发电理念并不局限于TENG，还可以扩展到更广泛的能量采集器件，从而有可能在未来创造新的能量采集技术。

【原文详情】

10. Dong, L. Zhu, P. Guo, C. Xu, X. Zhao, S. Yang, X. He, G. Zhou, G. Ma, H. Guo*, C. Hu, Q. L. Song*. A bio-inspired totalcurrent nanogenerator.Energy & Environmental science,2023, 16，1071-1081，链接：https://doi.org/10.1039/D2EE02621J。

【通讯作者介绍】

宋群梁，西南大学教授、博士生导师。澳大利亚Edith Cowan大学兼职教授。新加坡材料学会会员和重庆市物理学会会员。Nature、JACS等三十余个国际知名期刊杂志审稿人。西南大学第三届学术委员会委员，国家基金委项目评议专家，教育部学位中心论文评审专家。天津市科委、广西滚球体育 厅项目评议专家。课题组主要致力于钙钛矿太能电池界面物理过程与机理、忆阻器研发、新型微纳发电机及自供能传感系统等半导体器件物理相关研究方向。先后主持省部级以上项目10余项，其中国家级项目4项；以第一作者和通讯作者先后在Energy Environ. Sci、Phys. Rev. Lett、J. Am. Chem. Soc、Adv. Sci、ACS Nano、Nano Energy、Mater. Horiz、J Mater Chem A、Chem. Eng. J、Appl. Phys. Lett等SCI收录论文160余篇。申请国家发明专利10余项项，获授权10项。

郭恒宇，重庆大学弘深青年学者特聘教授。本硕博毕业于重庆大学，美国佐治亚理工学院联合培养博士和博士后。研究内容主要围绕环境微纳力电转换的纳米发电技术，在其基础器件物理理论，关键材料，能量管理，自驱动传感等方面取得了一系列创新性研究成果。迄今为止已在Sci. Robot., Sci. Adv., Nat. Sustain., Nat. Commun., Adv. Mater.等期刊发表SCI论文140余篇，其中ESI高被引论文25篇，论文共计引用15000余次，H指数为69，获权发明专利12项，同国家电网公司合作研发了基于纳米发电技术的输电线自供能状态监测装置，研究成果受到新华社、Asian Scientist等国内外众多主流媒体报道，主持国家自科基金1项，国家重点研发计划课题1项，主研国家自科基金区域创新发展联合项目1项，入选2020和2021年世界10万Top科学家榜单，2022年科瑞维安高被引科学家，重庆市英才计划-青年拔尖人才项目。

【第一作者介绍】

董君博士，本硕博分别毕业于河北大学、中科院兰州化物所（师从王晓波研究员）和西南大学（师从宋群梁教授），目前主要从事新概念纳米能源器件及自供能传感系统的器件物理、系统设计与能量传递机制研究。自主开发了基于时空电荷分离原理的新一代全电流纳米发电机平台，并完善了该器件的理论、架构及应用，为液固界面能量高效采集与载流子输运行为研究提供了新视角，代表性成果相继发表在Nano Energy（2）、Energy Environ. Sci等领域知名期刊。基于上述成果开发了水滴直流发电机及自驱动系统，授权1项核心发明专利，作为原创前沿技术入驻西部科学城西南大学科学中心，并受邀参加第18届中国西部国际博览会、重庆英才大会等多个博览会。同时，还担任Nano Energy、Nanoscale等多个TOP期刊审稿人。邮箱：jundong99@126.com，欢迎学术交流合作。

本文由董君供稿