研究背景
摩擦纳米发电机（TENG）是一种利用摩擦起电效应和静电感应原理捕获机械能并将其转化为电能的能量收集装置，具有成本低、灵活性高、效率高等优点。如何更有效地将周围环境中的运动能转化为电能并提高其输出性能一直是各国科学家共同的研究课题。电荷激励TENG的特点是能够最大限度提高TENG的电荷密度，其中，TENG电荷密度会随电荷激励的增大而提高，一方面电荷的积累速度更快，从而实现稳定可控的高输出功率。另一方面，高输出电荷激励TENG可以适用于各种大功率器件的应用。
文章概述
为全面展示电荷激励TENG的最新发展，北京交通大学李修函教授和张楚国副教授团队，在Applied Materials Today期刊发表题为“A review of charge excitation triboelectric nanogenerator performance enhancement and related applications”的综述文章。
该文章详细综述了近年来TENG电荷激励技术的最新研究工作。首先从工作原理上分析了自激励和外激励技术，并介绍了最新的研究进展。此外，概述了电荷激励技术的六个主要方向，包括摩擦电材料、电路、结构、蓝色能源、人体运动驱动和其他形式的周围能量、自驱动传感。最后，对电荷激励技术的工作进行了总结，并展望了未来的研究方法、技术和潜力。
本文亮点
1.分析了电荷激励TENG的工作原理，并比较自激励和外激励两种方法。
2.详细总结了通过材料、电路和结构实现电荷激励TENG的方法。
3.简要介绍了电荷激励TENG在蓝色能源、人体运动驱动和其他形式的周围能量以及自供电传感器方面的最新应用。
4.探讨电荷激励TENG未来发展的方向。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102492
图文导读
图 1. 电荷激励TENG概览图
图 2. 电荷激励TENG的材料。(a) 将钛酸钡纳米颗粒添加到PVDF-HFP中。(b) 将锆钛酸铅添加到PVDF 中。(c) 将钛酸钡填充到PVDF中。(d) 基于自极化效应的电荷激励TENG。(e) 自制碳/硅胶的拱形软接触图案。(f) 空气电离电荷定向沉积。
图 3. 电荷激励电路。（a）用于外激励和自激励的电压倍增电路。（b）用于旋转和滑动TENG的电压倍增电路和全波桥式整流电路。（c）用于非接触式TENG的电压倍增电路和全波桥式整流器电路。（d）电荷泵和BUCK电路耦合的TENG。（e）组成电荷激励的全波桥式整流电路用于TENG。（f）全波桥式整流电路将TENG与PENG耦合。
图 4. 电荷激励结构。（a）同步旋转结构。（b）滚动轴承结构。（c）悬浮静电感应软接触结构。（d）同轴滚动电荷泵结构。（e）双模结构。（f）同轴减速换向结构。
图 5. 用于蓝色能源应用的TENG。（a）电荷激励集成TENG网络。（b）电荷激励球形TENG阵列。（c）电荷激励DC- TENG。（d）电荷激励多功能蓝色能源TENG。
图 6. 人体运动驱动应用和其他形式的周围能量收集。(a)电荷处理同步TENG。(b) 电荷激励颤动TENG。(c)电荷激励非接触恒压 TENG。(d)分形结构电荷激励TENG。(e)电荷激励Miura 折叠TENG。(f)电荷激励废物利用TENG。
图 7. TENG 应用于自驱动传感器。（a）无线风速传感器系统。（b）铁路货运列车预警传感器。（c）洪水报警智能浮标。（d）火灾报警和温度传感器。（e）智能茶园监测传感器。
总结
这项工作从电荷激励的材料、电路、结构等方面总结了提升TENG输出性能的方法，并从蓝色能源、人体运动驱动等周围形式能量、自驱动传感等方面探索了电荷激励TENG的应用，以推动电荷激励相关领域的后续发展。从以上综述的总结我们看出还有以下问题丞待解决，一方面，提高电荷激励TENG的输出性能，通过材料改性、材料选择以及摩擦电材料电荷捕获失效效应等方式能够解决。另一方面，优化电荷激励电路，提高电荷激励TENG的适用性，将其应用于各种结构的TENG，对于提高TENG的输出性能、简化发电方式具有重要意义。电荷激励可以应用在我们生活的各个方面，在各个领域都取得了很大的进步，相关研究仍需进一步发展。
北京交通大学朱霄鹏博士研究生和郝逸君博士研究生为该综述的共同第一作者，北京交通大学李修函教授和张楚国副教授为本文通讯作者。
编辑：无痕 | 审核：树屋鼠
