摩擦纳米发电机新进展

研究背景

摩擦纳米发电机(TENGs) 通过利用摩擦起电效应和静电感应，可以有效地将离散的低频机械能转化为电能。TENGs中的摩擦发电层通常由具有不同电子亲和力的介质聚合物组成。在某些情况下，具有失电子能力的金属也可以作为正摩擦发电层。许多TENGs 通常可以达到很高的输出电压(kV)；但输出电流通常很低(通常在μA范围内)。低输出电流是TENGs许多实际应用的主要限制，特别是在能量收集方面。如何增加TENGs的输出电流?从理论上讲，改善摩擦发电层之间的电荷转移或缩短电荷转移时间是提高输出电流的关键。

研究成果

摩擦纳米发电机(TENG)能够以一种清洁和可持续的方式将机械能转化为电能。然而，传统的TENGs主要受限于低输出电流，因此其实际应用仍然有限。在此，西北工业大学黄维院士、于海东教授，南京工业大学吕刚教授等人通过同时使用导电材料作为摩擦发电层和电极来开发一种新型的TENG。由于两个摩擦发电层之间的状态密度相匹配，当PEDOT:PSS薄膜和铜箔作为摩擦发电对时，这种简单结构的器件达到了1400V的开路电压和1333mA m-2的超高电流密度。与传统的TENG相比，电流密度增加了近三个数量级。此外，该装置可以在高湿度环境中稳定工作，甚至可以在有水滴的情况下表现良好。这项工作为构建高性能的TENG提供了一种新的有效策略，在不久的将来可以用于许多实际应用。相关研究以“Density-of-state matching-induced ultrahigh current density and high-humidity resistance in a simply structured triboelectric nanogenerator”为题发表在Advanced Materials期刊上。

总结与展望

综上所述，作者开发了一种新的TENG原型——C-TENG，具有高度简单的结构和超高的输出电流。在该C-TENG中，导电的PEDOT:PSS和Cu薄膜被同时作为摩擦发电层和电极使用。由于DOS的匹配，在单个工作周期内，有更多的电荷(三个数量级)可以转移到外电路。因此，在接触分离模式下工作的C-TENG表现出1333 mA m-2的超高输出电流和160 W m-2的功率密度。这些性能远远超出了已报道的在接触分离模式下工作的TENG的性能。由于摩擦发电层的高导电性，该C-TENG可以在高湿度的环境中完美地工作，甚至在有水滴的情况下也能工作。这在传统的电介质TENG中通常是不可能的。由于输出性能高，该C-TENG不仅可用于高效的能量收集，还可用于为电气设备供电。该新TENG原型已经展示了超高的性能，这种设计可以很容易地扩展到具有超高性能的各种新TENG的设计和制造中。该方法还可以与现有的策略相结合，如表面工程、结构改进和电路优化/集成，以便在不久的将来进一步提高TENG的输出性能。

文献链接

Density-of-state matching-induced ultrahigh current density and high-humidity resistance in a simply structured triboelectric nanogenerator

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210915

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