摩擦纳米发电机迈向产业化：自泵电增强法

随着便携式、可穿戴和物联网的快速发展，人们投入了大量的努力来发展可持续、便携式和分散能源。与此同时，与人类活动有关的环境机械能量为能量收集提供了一个理想的能量源。对比传统的电磁发电机，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator , TENG)由于其质量轻、低成本和高效收集低频能量的优点在近几年引起了广泛的关注。由于TENG的输出能量与其面电荷密度平方成正比，摩擦材料表面低的面电荷密度严重限制了TENG的实际应用。为了增加TENG的面电荷密度，人们从改善摩擦材料等多个方面来致力于提高面电荷密度，然而提高程度十分有限。为此，外电荷泵浦方法被提出来改善面电荷密度，并得到了1mC/m2的大面电荷密度，然而其低的电荷注入速度和复杂的结构限制了外电荷泵浦TENG的实际应用。 

2019年3月29日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和重庆大学物理学院胡陈果教授等人在Nature Communications上发表了题为 “Integrated charge excitation triboelectric nanogenerator”的研究论文，刘文林博士为第一作者，重庆大学胡陈果教授，北京纳米能源与系统研究所王中林院士和佐治亚理工大学郭恒宇博士后为共同通讯作者。类似于传统的励磁发电机，该论文报道了结合倍压电路开发了完整的外电荷激励TENG和自电荷激励TENG，通过结构设计实现了激励电荷直接储存在电极上并得到了1.25mC/m2的大面电荷密度。相比于外电荷泵浦方法，自电荷激励模式下实现了10倍的电荷注入速度提升，并且去掉了泵浦TENG部分从而得到了更为简单的TENG结构，展示了自电荷激励TENG在扩展TENG实际应用中的巨大潜在价值。同时，通过研究电磁发电机的发展历史，自电荷激励TENG的实现也展现了TENG在大尺寸、高电压发电应用方面的潜在可能。 

图一:机械能量收集设备的发展历史 。a， 电磁发电机从法拉第定律到自励磁的发展过程； b， 摩擦纳米发电机从麦克斯韦位移电流到自电荷激励的发展历程； c， 用于改善TENG输出密度的传统外电荷泵浦方法的示意图； d， 该工作中外电荷激励和自电荷激励TENG的基本示意图。