王中林团队：独立层式摩擦纳米发电机的输出功率和动态电荷分布之间的定量关系研究

摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator）以位移电流为驱动力，通过耦合接触起电效应和静电感应效应，可以将生活中随处可见的机械能转化为电能，因而在微纳能源、自驱动传感、蓝色能源和高压能源等领域具有广阔的应用前景。然而，目前对摩擦纳米发电机的输出功率和动态电荷分布之间的定量关系尚缺乏透彻的理解。本文以独立层式摩擦纳米发电机为例，通过建立相应的数学物理模型和等效电路模型来解决上述问题。一般情况下，当电介质被外加电场极化后，其极化强度用P表示，代表介质内部单位体积的偶极矩。接触起电或压电效应等一些非电场因素导致的极化强度用PS表示，称为动生极化，主要由于表面静电荷的存在或介质边界形状随时间变化引起。摩擦纳米发电机正是由于介质之间的相对非匀速运动引起介质极化, 进而产生位移电流将外界的机械能转换为电能。本工作首先探究了在外界机械力作用下时变极化的产生和变化过程。动生极化项PS建立了微观极化和外部激励之间的紧密联系。PS项的引入使电位移矢量和本构关系的表达式发生了改变，进而改变了法拉第电磁感应定律和麦克斯韦方程组的表现形式。与传统的发电机不同，摩擦纳米发电机的电动势来源于自由电荷分布引起的电势差，电势差驱动电子在外电路流动，将机械能转换为电能。

图1：金属型滑动独立层式摩擦纳米发电机的结构示意图、基本输出和电荷分布.

文章以两种独立层式摩擦纳米发电机（金属型和介质型）为例，揭示自由电荷分布与能量转换之间的联系。基于分段电荷均匀分布的假设，文章建立了滑动独立层式摩擦纳米发电机的数学物理模型和等效电路模型，对金属型和介质型独立层式摩擦纳米发电机的基本输出特性进行了比较和系统讨论。仿真结果发现自由电荷分布和介质极化与摩擦纳米发电机的几何结构、材料种类和外接电路等因素有关。

图2：矩形坐标系、柱坐标系和球坐标系中具有不同几何结构的摩擦纳米发电机的数学物理模型.

根据电荷分布和外部机械激励的不同，该工作将摩擦纳米发电机分为三类（图2）：（a）运动方向与带电面垂直，（b）运动方向与带电面平行，（c）非平面电荷分布。根据摩擦纳米发电机的几何结构和对称性，可以结合笛卡尔直角坐标系、柱坐标系、球坐标系或其他特殊坐标系建立合适的数学物理模型。本文的研究方法对理解具有复杂电荷分布的摩擦纳米发电机的工作原理、结构优化设计、输出性能提高提供理论指导。相关工作以“Quantifying Output Power and Dynamic Charge Distribution in Sliding Mode Freestanding Triboelectric Nanogenerator”为题发表在Advanced Physics Research （DOI: 10.1002/apxr.202200039）上，文章第一作者为中科院北京纳米能源与系统研究所的郭鑫和邵佳佳，王中林院士是该文章的通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/apxr.202200039

文章来源： 电介质Dielectrics

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