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  萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，各種分布式傳感器、可穿戴設(shè)備愈加普及，長(zhǎng)期穩(wěn)定的電能供給問(wèn)題成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。作為一種高效的低頻動(dòng)能收集技術(shù)，摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，簡(jiǎn)稱TENG）被認(rèn)為是一種環(huán)境友好、極具潛力的分布式能源解決方案。但是，早期的TENG受制于摩擦介電材料的表面電荷密度較低，靜電感應(yīng)電流有限，輸出性能有待提高。為了提高表面電荷密度，通常的方法集中在材料選擇、表面改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及環(huán)境控制等方面，但性能提升有限。最近興起的電荷泵技術(shù)有望進(jìn)一步提高TENG的輸出性能，然而，大多數(shù)的電荷泵技術(shù)都是基于輸出性能并不高的接觸分離式TENG且缺少必要的輸出管理電路。同時(shí)接觸分離式TENG需要較高的驅(qū)動(dòng)頻率，其輸出的電壓/電流波形為脈沖形式，不利于實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)有效輸出。因此，探索新的電荷密度增強(qiáng)機(jī)制與方法具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

  近日，由中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士與清華大學(xué)機(jī)械工程系季林紅教授、程嘉副研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新型滑移式電荷泵技術(shù)可顯著穩(wěn)定TENG的輸出電壓與提高輸出電流。該技術(shù)基于電荷泵的思想，利用滑移式可變電容器與固定電容間的電荷來(lái)回流動(dòng)以對(duì)外輸出電能。通過(guò)電源管理模塊來(lái)提高可變電容器極板電壓以存儲(chǔ)更多電荷，同時(shí)降低輸出電壓并提高輸出電流。利用該電荷泵技術(shù)，輸出電壓的波動(dòng)可降低63.9 %且輸出電流可提高43.4 %，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了1328 μC m^-2的表面電荷密度，可在低頻條件下持續(xù)供能468 LEDs、電子表和傳感器等小功率電子元器件。該技術(shù)對(duì)于探索提高TENG輸出性能的新型機(jī)制與方法具有指導(dǎo)和借鑒意義。相關(guān)研究論文以題為“Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current”于2021年5月18日在國(guó)際期刊《Advanced Energy Materials》上在線發(fā)表。

圖1 滑移式電荷泵結(jié)構(gòu)與工作原理圖。a.電荷泵結(jié)構(gòu)模型圖。b.主TENG結(jié)構(gòu)組成圖。c.電荷泵工作原理示意圖。d.主TENG潤(rùn)滑和非潤(rùn)滑下的電容對(duì)比圖。c, f.正負(fù)通路中的電荷與電壓曲線圖。 

圖2 滑移式電荷泵的電學(xué)特征。 a.電流流向調(diào)節(jié)和電學(xué)測(cè)量。b, c.初始輸出和加主TENG輸出以及加固定電容器輸出的電壓。d.電壓曲線的FFT。e, f.單周期內(nèi)輸入和震蕩電荷量。e.平均輸入和震蕩電荷量。

圖3 電學(xué)輸出特征對(duì)比圖。a倍壓整流器模型圖。b.倍壓整流器輸出電壓圖。c.二倍壓輸出電壓對(duì)比圖。d, e.接入兩種整流器后的不同驅(qū)動(dòng)頻率下輸出電壓圖。f.兩種整流器的輸出電壓對(duì)比圖。g.不同頻率下接入倍壓器后的輸出電流圖。h.兩種整流器輸出電流對(duì)比圖。i.不同頻率下兩種整流器的輸出電流對(duì)比圖。j.輸出電能利用原理圖。k.輸出負(fù)載特性曲線。

圖4 輸出電能的利用。 a.輸出電壓降低與電流增強(qiáng)電路原理圖。b.實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖。c, d.溫濕度傳感器工作電壓變化曲線圖。e, f.溫濕度傳感器工作實(shí)物圖。g, h.電子表和濕度傳感器工作實(shí)物圖。i, j. LED燈和熒光管工作實(shí)物圖。

  團(tuán)隊(duì)提出了一種新型滑移式電荷泵技術(shù)，用于提高TENG的輸出電壓穩(wěn)定性和增強(qiáng)輸出電流。不同于傳統(tǒng)TENG電能輸出，該電荷泵利用可變電容器和固定電容器之間的電荷來(lái)回流動(dòng)對(duì)外輸出電能。利用電源管理電路來(lái)提高可變電容器極板電壓以存儲(chǔ)更多電荷，并降低輸出電壓和增強(qiáng)輸出電流，可使輸出電壓的波動(dòng)性降低63.9 %和輸出電流提高43.4 %，同時(shí)得到了1328 μC m^-2的超高表面電荷密度。研究成果對(duì)于探索新型提高TENG輸出性能的方法和策略具有一定的參考和借鑒意義。

  該項(xiàng)目研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（52075286, U1613207）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFF0300606）等項(xiàng)目的資助，謹(jǐn)此感謝。

  論文信息：

  Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current

  Ze Yang, Yiyong Yang, Hao Wang, Fan Liu, Yijia Lu, Linhong Ji,* Zhong Lin Wang,* and Jia Cheng*

  Advanced Energy Materials

  DOI: 10.1002/aenm.202101147

  https://doi.org/10.1002/aenm.202101147