研究背景
电晕放电型直流摩擦纳米发电机（DC-TENG）通过摩擦起电和空气击穿效应的耦合产生直流输出，可以实现能量的直接利用。但对于传统的二元电晕放电型DC-TENG，两滑块单元之间需要间隔一定距离避免单元之间的放电，其产生的空白区域会导致器件在集成过程中出现空间利用率低，摩擦起电不充分等问题。若没有空白区域的间隔则会出现集成过程中中间电极的电荷中和及输出下降等问题。因此，探索一种提升传统电晕放电式DC-TENG摩擦起电能力及电荷输出效率的策略至关重要。
文章概述
为了解决传统电晕放电型DC-TENG空间利用不足及电荷收集不充分等问题，重庆大学胡陈果教授团队提出了一种三元直流摩擦纳米发电机（TDD-TENG）。首先通过评估不同摩擦材料，选择摩擦电负性差异最大的两种材料与电荷收集电极（CCE）组成滑块单元，在使滑块空间得到全利用的同时解决了电荷中和问题，填补传统二元电晕放电式直流TENG的输出空白。第二，由于定子PU泡沫的孔隙结构，在摩擦过程中会有滑块上的PTFE粉末自发落入PA泡沫的孔隙中，相比于外源添加的PTFE粉末，自发引入的PTFE粉末具有均匀、不过量等优势，可以在摩擦过程中有效提升滑块上尼龙（PA）侧的摩擦起电效率，实现输出自增强效果。此外，PTFE粉末的引入使摩擦界面摩擦系数降低，具有摩擦界面自润滑效果。第三，通过电极细分的方式有效收集界面击穿电荷，使CCE最大转移电荷达12.9μC最大电流达52.7μA。最后，结合滑块两种材料之间的摩擦起电能力差异及PU泡棉的高漏电特性，TDD-TENG在CCE与底电极上形成双直流输出。底电极的引入不仅弥补了低单元滑块上CCE的输出还作为一种新的评估手段对不同单元滑块CCE的电荷收集效率进行有效评估。最终在滑动模式下TDD-TENG实现18.37W/m2的平均功率密度，且在5 rpm的超低转速下，旋转式TDD-TENG达到了7.3mC/m2和10.8W/m2的平均电荷密度和平均功率密度。
图文导读
图1 TDD-TENG的器件结构及运行原理a)三种类型DC-TENG的结构对比. b) 三种类型DC-TENG的电荷输出对比. c)TDD-TENG三重协同增强策略机理. d) 底电极直流输出. e) COMSOL Multiphysics 软件模拟TDD-TENG在有/无底电极情况下的电场分布. f) TDD-TENG在有/无PTFE粉末时的滑块电极放电图像. g)四种DC-TENG四单元集成的输出电荷比较. h) 报告过的典型DC-TENG之间的平均功率密度比较。
图2 滑动式TDD-TENG的材料优化、输出自增强和自润滑效果。a) 18种商用薄膜与PU摩擦的摩擦电输出序列。b) 1单元PTFE/PA滑块与不同定子摩擦的电荷输出。c) 1单元PTFE/PA滑块与不同厚度PU泡沫摩擦时的电荷输出比较。d) 在PU上自发引入PTFE提高摩擦带电效率的示意图。e) 有/无自发引入的PTFE粉末的PU泡沫SEM图像。f) 有/无自发引入PTFE粉末时PTFE和PA单滑块的输出比较。g)有/无自发引入的PTFE粉末时不同材料对的电荷输出。h) 有/无PTFE预处理的1单元TDD-TENG摩擦力比较。
图3 滑动TDD-TENG的结构优化和双直流特性。a) 电极细分机理示意图。b) 在0.06 m s-1的滑动速度下，在有自发引入PTFE粉末的情况下，不同单元TDD-TENG的输出电荷。c) b)对应的TDD-TENG输出电流。d) 在0.72 m s-1的滑动速度下，4单元TDD-TENG不同外部负载下的输出电流、电压和峰值功率。e) 4单元TDD-TENG在不同滑动速度下的输出电流。f) 1mm聚氨酯泡沫在不同电压下的漏电流。g) 1单元滑块底部电极放电照片。h) 不同单元TDD-TENG的底部电极输出。i) 在没有PTFE粉末的情况下，1单位TDD-TENG在有/无底部电极时的总输出比较。
图4旋转式TDD-TENG的输出性能。a) 旋转TDD-TENG示意图。b)在PTFE粉末存在时不同单元的旋转TDD-TENG的输出电荷和c）输出电流。d) 30单元旋转式TDD-TENG在不同速度下的电荷输出。e) 不同单元TDD-TENG在有/没有PTFE预处理的输出电流和f)电荷密度。g) 带底部电极的旋转式TDD-TENG示意图。h) 不同单位TDD-TENG底部电极上电荷输出。i) 3单元旋转TDD-TENG有/无底电极时的输出电流。j) 在30 rpm和不同外部负载下的输出电压、电流和k) 峰值功率。l) 60 rpm下对电容器充电的电压曲线。
图5 TDD-TENG的应用展示。a) 带PMC的旋转式TDD-TENG电路图。b) 为蜂鸣器供电的电压-时间曲线。c) TDD-TENG为蜂鸣器供电的照片。d) 漏水检测过程的电压-时间曲线。e) 通过蓝牙从传感器发送到手机的漏水检测信息照片。f) 在60 rpm下为74台温湿度计供电的电压-时间曲线。g) TDD-TENG同时为74台温湿度计供电的数码照片。h) TDD-TENG以60rpm的速度点亮不同类型的灯泡和4640个绿色LED的照片。i) 在实验室中为7个串联的紫外线灯供电以消毒微量水样本的数码照片。
总结
基于摩擦带电和静电击穿效应的直流TENG具有直接有效利用能源的优势。为了实现更有效的摩擦起电，最大限度地利用集成空间，充分收集界面电荷，本文提出了一种三协同输出增强策略。
首先，通过使用PTFE和PA这两种摩擦极性相反的材料作为滑块材料，不仅填补了二元直流TENG集成过程中的区域空缺而且弥补了其输出空白。
其次，在定子与PU泡沫的摩擦过程中，PU的多孔结构使PTFE粉末自发地落入到PU表面和孔隙中，这比外部添加的PTFE粉末更均匀、且避免添加过量，在摩擦系统中形成新的摩擦电对PA/PTFE，提高了TDD-TENG中PA侧的摩擦电效率，实现输出自增强效果。在不细分电极的情况下，1单元TDD-TENG的转移电荷达到4.58µC且摩擦系数降低了2.25倍具有界面自润滑效果。
第三，由于静电击穿本质上涉及能量损失，通过滑块细分电极，4单元集成器件在0.06 m s-1的速度下实现了12.9µC的输出电荷，在0.72 m s-1的运动速度下获得了52.7µA的输出电流。
此外，由于PTFE和PA在摩擦带电能力上的显著差异以及PU泡沫的高泄漏特性，本文引入了与CCE协同形成双直流输出的底部电极，不仅补偿了CCE在低单元集成中的输出，还为表征界面电荷收集效率提供了一种新方法。
在实际应用中，该器件可以在13.4秒内将13.6 mF的电容器充电至4 V，并持续为蜂鸣器、水浸传感器、74个温湿度计供电，并点亮4640个LED，证明了其强大的输出能力和广泛的应用场景。此外，它还可以在没有PMC和整流桥的情况下在实验室为七个微量水样进行消毒。最后，这项工作为提高电晕放电型直流TENG中的摩擦电效率和确保完全的界面电荷收集提供了新的见解，为直流TENG的进一步发展做出了贡献。
编辑：沈星星 | 审核：木小何
