清华新闻网5月25日电 万物互联的物联网时代已经到来，各种分布式传感器、可穿戴设备愈加普及，长期稳定的电能供给问题成为制约产业发展的关键瓶颈。作为一种高效的低频动能收集技术，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，简称TENG）被认为是一种环境友好、极具潜力的分布式能源解决方案。但是，早期的摩擦纳米发电机受制于摩擦介电材料的表面电荷密度较低，静电感应电流有限，输出性能有待提高。为了提高表面电荷密度，通常的方法集中在材料选择、表面改性、结构设计以及环境控制等方面，但性能提升有限。
最近兴起的电荷泵技术有望进一步提高摩擦纳米发电机的输出性能，然而，大多数电荷泵技术都是基于输出性能并不高的接触分离式摩擦纳米发电机且缺少必要的输出管理电路。同时，接触分离式摩擦纳米发电机需要较高的驱动频率，其输出的电压/电流波形为脉冲形式，不利于实现电能的持续有效输出。因此，探索新的电荷密度增强机制与方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

图1 滑移式电荷泵结构与工作原理图
近日，由清华大学机械工程系季林红教授、程嘉副研究员与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作的科研团队提出一种新型滑移式电荷泵技术，可显著稳定摩擦纳米发电机的输出电压与提高输出电流。该技术基于电荷泵的思想，利用滑移式可变电容器与固定电容间的电荷来回流动以对外输出电能。通过电源管理模块来提高可变电容器极板电压以存储更多电荷，在降低输出电压的同时提高输出电流。利用该电荷泵技术，摩擦纳米发电机的输出电压的波动可降低63.9%，且输出电流可提高43.4%，实现了1328μC m^-2的超高表面电荷密度，可在2.5Hz低频条件下持续驱动468个LED灯、电子表和传感器等小功率电子元器件。该技术对于探索提高摩擦纳米发电机输出性能的新型机制与方法具有重要指导与借鉴意义。

图2 滑移式电荷泵电学特征与应用
相关研究成果以“用于滑移式摩擦电纳米发电机稳压增流的电荷泵技术”（Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current）为题于5月18日在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上在线发表。
清华大学为论文第一单位。论文第一作者为中国地质大学（北京）博士研究生杨泽（清华大学联合培养），清华大学机械系季林红教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、清华大学机械系程嘉副研究员为论文共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101147
供稿：机械系
编辑：李华山
审核：吕婷

2021年05月25日 16:42:10