北京纳米能源所在电荷自泵浦激励的蓝色能源器件方面获得进展

摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）通过摩擦起电和静电感应可以实现将环境中的机械能转化为电能，以此为基础发展的微纳能源、自驱动传感以及蓝色能源等技术将为物联网、健康监测、电子皮肤、海洋开发等重要新兴领域提供能源技术基础。现阶段摩擦纳米发电机进一步走向实际应用受到两个方面的挑战：一是通过摩擦实现的表面电荷密度较低，使器件性能还无法满足多种实际应用的需求；二是摩擦造成的材料磨损和发热会影响器件的耐久性。 

2018年报道的电荷泵浦策略和电荷自泵浦摩擦纳米发电机（Nano Energy, 2018, 49, 625）为解决这些问题提出了重要的思路，即通过浮置导体层来约束电荷，并通过泵浦发电机向浮置层中注入电荷。注入的束缚电荷可类同于摩擦静电荷激发电场，但其电荷密度理论上仅受限于介电击穿强度的限制，同时不需要通过剧烈的摩擦产生。该工作首次在大气环境下将有效电荷密度提升到1.02mC/m2，实现了重要突破。在此基础上，2020年4月报道的基于电荷泵浦策略的旋转式摩擦纳米发电机（Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000605）实现了旋转式TENG在低频激励下的高输出性能，器件在2Hz低频驱动下可达到658mW的峰值功率和225mW的平均功率。以上工作实现了电荷密度和摩擦强度之间关联的解耦，进一步推动了TENG的功率输出及耐久性瓶颈问题的解决。在电荷泵浦器件中，电荷被完全约束在浮置的导体层中，与普通TENG将静电荷完全约束在电介质表面类似，从静电感应的角度仍遵循普通TENG的原理。 　　  

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首次提出了电荷穿梭原理（Charge shuttling）和基于电荷穿梭的摩擦纳米发电机（Charge-shuttling-based triboelectric nanogenerator, CS-TENG）。不同于普通摩擦纳米发电机中将摩擦静电荷完全约束在电介质表面，CS-TENG中将电荷限域于导电域中，并利用电荷在导电域中的往复穿梭形成电流，驱动负载。基于准对称的双导电域中电荷的相互作用可以产生镜像正负载流子的穿梭，实现转移电荷量的加倍。导电域中的电荷作为“工质”可以通过泵浦TENG高效注入，实现电荷的自泵浦激励。基于以上原理，实现了高性能的能量收集器件，达到了1.85mC/m2的超高有效输出电荷密度。在此基础上，以CS-TENG为核心发电单元制备了高性能集成球形蓝色能源器件，成功应用于水波能收集。在低频水波激励下，该器件可实现电荷的自泵浦激励，并由单泵浦TENG对多主TENG同时激励，峰值电流可达1.3mA，峰值功率可达126.67mW，且在300kΩ的低负载电阻下可实现最大的功率输出，实现了蓝色能源器件性能的新突破，且随着器件集成CS-TENG单元数量的提升，输出将会进一步提高。该工作还展示了器件在波浪驱动下，同时点亮600盏LED灯，并用于自驱动温度和气压检测，显示了该器件在蓝色能源等领域应用的巨大潜力。电荷穿梭原理提供了一种全新的基本工作模式，大幅提升了器件表面电荷密度，为相关基于限域结构中电荷运动的新型器件研发以及TENG在自驱动系统、海洋蓝色能源等领域的应用提供了新思路和方向，促进了高性能TENG实际应用的发展。相关成果以“Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling”为题发表在Nature Communications上。 

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、北京市科学技术委员会等项目资助。 

图1. CS-TENG的器件结构和工作原理。（a）电荷穿梭原理示意图。（b）器件工作原理和类比模型示意图。（c）器件照片。（d）器件典型电荷量输出。（e）器件充电容曲线。

图2. 水波激励下集成器件的性能表征。（a，b）水波激励单个集成器件（a）和器件网络（b）的原理示意图。（c）蓝色能源的愿景图。（d）集成器件单个周期内的单侧电流输出峰和电荷量曲线。（e）集成器件在不同负载下的峰值功率和平均功率曲线。（f）集成器件点亮600盏LED阵列。（g）集成器件的应用电路连接图。（h，i）集成器件驱动温度计的电压曲线（h）和实验照片（i）。（j，k）集成器件驱动气压计的电压曲线（j）和实验照片（k）。