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【Nano Energy】电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机
发表日期: 2018-05-17 文章来源:
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  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。 

  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”为题发表在近期的Nano Energy上(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303264)。 

(a)电荷泵浦原理示意图。(b)电荷自泵浦TENGSCP-TENG)集成器件的结构示意图。(c)SCP-TENG的泵送电荷量(Q1)及输出转移电荷量(Q2)。(d)本工作在普通环境条件下实现的超高表面电荷密度及与现有其它工作的比较。

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