近期，重庆大学奚伊教授团队报道了一种基于场发射模型的直流摩擦纳米发电机，提出了一种有效利用厚介电薄膜的范例策略，提升了直流摩擦纳米发电机的平均功率密度（1591 W·m-3·Hz-1），通过收集微风能实现了水、陆、空的综合传感，以题为“Achieving Ultrahigh DC-Power Triboelectric Nanogenerators by Lightning Rod-Inspired Field Emission Modeling”发表在Research上(Research 2024,7,Article 0437.https://doi.org/10.34133/research.0437)。
Citation:
Li Q, Fu S, Yang H, Li X, Zhang X, Hu C, Xi Y. Achieving Ultrahigh DC-Power Triboelectric Nanogenerators by Lightning Rod-Inspired Field Emission Modeling. Research 2024; 7: Article 0437.
https://doi.org/10.34133/research.0437
1 研究背景
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）作为一种极具发展潜力的能量收集技术，具有高成本效益、简单的结构、丰富的材料选择和高灵活性等特点，在微纳电源、生物传感器、高压电源、蓝色能源等领域有着广泛的应用前景。其中，直流TENG（DC-TENG）凭借其直流输出、高集成度、抗电磁干扰、低波峰因数等独特优势受到广泛关注和研究，成为能量收集领域强劲的竞争者。通常，DC-TENG主要通过相位控制、静电击穿、摩擦伏特效应和三元介质摩擦起电效应来实现。其中，大多数的DC-TENG致力于提升其输出性能，却忽略了输出的稳定性和器件的耐久性，使其实际应用不尽人意。在这种情况下，仅通过结构设计很难达到上述目标，因此，基于DC-TENG发电机理，深入挖掘摩擦介电材料的内在起电能力，实现DC-TENG的整体性能提升是至关重要的。
2 研究进展
重庆大学奚伊教授团队受避雷针的启发，通过研究介电材料内部的电子隧穿，首次提出了一种用于提高三元DC-TENG功率密度的场发射模型。模型通过理论推导、电场仿真和实验测试得以验证，基于该模型的DC-TENG（FEM-TENG）同时实现了高性能，长寿命和微风能收集（图1）。
图1 FEM-TENG的场发射模型、工作机理及性能比较
目前，介电材料有限的漏电流严重影响着三元DC-TENG的输出性能。场发射模型表明，嵌有钢针的背部电极与介电材料之间的局部电场会大大增强厚介电材料内部的电子隧穿，从而改善了厚介电材料表面的电荷中和，提升了内部的电荷存储空间。通过电子隧穿效应的理论推导，COMSOL电场模拟和厚介电材料的漏电流测试都验证了该模型的正确性。基于场发射模型，FEM-TENG的输出电流是普通三元DC-TENG的5倍，峰值因子达到历史性的1.00375，获得了16.061 W·m−2·Hz−1（1591 W·m−3·Hz−1）的平均功率密度和9.807 mC·m−2的电荷密度，各项性能都创造了DC-TENG领域的新纪录（图2）。
图2 FEM-TENG收集风能的耐久性和输出性能
此外，利用超高输出和出色的耐久性，FEM-TENG展示了在收集微风能量方面的能力。在1.8~3.6 m·s-1的风速下，FEM-TENG获得了8.461 W·m−2的平均功率密度，表现出强劲的充电能力（图3）。
图5 FEM-TENG在自供电全方位传感系统中的应用演示
在应用演示中，在微风的驱动下，FEM-TENG轻松点亮3712个LED（在点亮过程中没有闪烁），并持续为50个温湿度计供电。在120 r/m的转速下，FEM-TENG可以分别驱动两个50 W的灯泡，一个便携式pH计（额定电压6 V）以及一个蓝牙温湿度计。
3 未来展望
这项工作建立了FEM-TENG的理论模型，全面提升了DC-TENG的性能。基于电子隧穿的场发射模型在摩擦介电材料机理研究提供了指导性建议，在其器件性能提升展示出优越性，为深度开发并利用介电材料的体积效应提供了范例策略。
4 作者简介
奚伊，博士，教授。主要从事功能材料在能源转化和感存一体的研究工作，已发表SCI论文150余篇，论文被引用9000余次，ESI高被引论文10余篇，H因子52。曾获“重庆市科学技术奖自然科学奖”一等奖“，“重庆大学十佳优秀青年教师”，“重庆大学自然科学奖”一等奖等奖项。申请发明专利20余项，获授权16项。主持项目包括国家面上基金、国家青年基金、教育部基金和重庆市基金等10多项项目；作为项目组骨干成员，参与项目包括863项目、国家重大研发项目、国家面上基金、教育部基金和重庆市重大项目等项目。Email:yxi6@cqu.edu.cn。
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