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新技术将摩擦纳米发电机功率提升数十倍

时间 :2023-06-07 21:25:57   来源 : 中国科学报

当前，我国正努力实现经济社会高质量发展和碳达峰碳中和目标。在此背景下，摩擦纳米发电机作为一种可直接将环境中机械能转化为电能的清洁发电方式而备受关注。其中，基于摩擦起电和空气击穿的直流摩擦纳米发电机（DC-TENG）由于具有恒流输出特性和较高的输出功率密度，而成为全球学者关注的焦点。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员王杰团队发现，DC-TENG存在多个放电区域（多域放电），刷新了人们对这一领域的认识和理解。基于这一发现，团队提出综合“木桶模型”，并利用该模型将单一器件的输出功率提升数十倍。6月3日，相关研究在线发表于《自然-通讯》。


(相关资料图)

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直流摩擦纳米发电机工作原理示意图。受访者供图

诱导微型闪电，高效利用摩擦电荷

摩擦起电是人类最早发现的电现象，近年来，为推进碳达峰、碳中和重大战略实现，如何高效地利用摩擦纳米发电机成为研究的重点之一。在前期探索中，研究团队发现摩擦产生的表面电荷中，有相当一部分会击穿空气释放出去，由于不能存留在摩擦材料表面，也无法得到有效利用。

那么，有没有一种办法能将这部分浪费的电荷利用起来呢？2019年，该团队提出基于摩擦起电和空气击穿的直流摩擦纳米发电机。这种微型发电机的工作过程主要分为两步：一是摩擦电极和介质材料进行摩擦，使介质材料表面带上电荷；二是通过特殊的结构设计，诱导微型闪电的产生，介质材料表面的电荷通过空气击穿释放并被电荷收集电极捕获。

“在实际应用场景中，这种发电机具有直流、甚至恒流的特性，能够直接驱动电子元器件。”王杰对《中国科学报》说，“而在科学问题上，对人工诱导微型闪电的研究能同时为增强和抑制空气击穿提供支撑，为有效利用摩擦电荷提供了坚实的理论依据。”

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多域放电特性示意。受访者供图

揭开多域放电之谜，开启全新研究视角

过去几年中，研究团队坚持优化DC-TENG的输出性能。随着理论研究和实验探索的不断深入，研究人员逐渐发现其在工作过程中，可能不止一个区域会产生微型闪电。

“通过有限元仿真，我们判定在DC-TENG周围共有三个区域达到产生微型闪电的标准，在工作过程中存在诱发微型闪电的可能性。”该论文第一作者、清华大学博士研究生张家悦说，“因此，我们通过长曝光拍摄，捕捉到这些微型闪电存在的证据，并通过电学测量仪器进一步证实了这三个放电域的存在。”

经过严谨的分析和求证，研究团队系统地定义了DC-TENG在工作过程中可能存在的三个放电区域；并通过结构设计，实现了对各区域放电量的调控，为进一步提升输出性能提供了一个简单可行的方案。

建立“木桶模型”，显著提升性能

基于多域放电的新发现、新思想、新理论，研究团队建立了综合“木桶模型”。即，随着摩擦电荷的增加，当介质层表面电场强度达到空气击穿的阈值时，多个区域内的微型闪电会被激发。且电荷参与不同区域内的放电，对外电路中输出能量的影响也有差异。例如，参与第一域放电的电荷可以在外电路中做功，而参与第二域和第三域放电的电荷则无法被有效利用。

研究人员通过抑制第二域和第三域的放电，增强第一域放电，进而使得发电机的输出性能得到了大幅的提升。此外，为了使DC-TENG更具实用价值，研究团队在外电路负载为10M～3G的超大阻抗范围内做了相关的分析和研究。实验结果表明，这一方法在大阻抗范围内，可以使输出功率得到几十倍的增强。

该论文评审专家认为，多域放电特性的发现，不仅刷新了对直流摩擦纳米发电机的认知，同时也对摩擦学、摩擦电学、以及其他静电现象有着重要影响。

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