电荷穿梭原理提升摩擦纳米发电机电荷密度
第一作者：王华妹1，许亮1
通讯作者：王中林*
单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所，中国科学院大学，美国佐治亚理工学院
摩擦电纳米发电机（TENG）可通过摩擦起电和静电感应将环境中的机械能转化为电能。在此基础上开发的微纳能量、自驱动传感器和蓝光能源技术将为物联网、健康监测、电子皮肤、海洋开发等重要的新兴领域提供能源技术基础。
在现阶段，摩擦纳米发电机进一步发展到实际应用中面临两个方面的挑战：
首先，摩擦所获得的低表面电荷密度使器件性能无法满足各种实际应用的需要；
第二，材料磨损和摩擦产生的热量会影响装置的耐久性。
2018年报道的电荷泵浦策略和电荷自泵浦摩擦纳米发电机（Nano Energy，2018，49，625）提出了解决这些问题的一个重要思想，即通过浮置导体层来限制电荷，并通过泵浦发电机向浮置层注入电荷。注入的束缚电荷可以类似于摩擦静电荷激励电场，但其电荷密度理论上只受介质击穿强度的限制，不需要剧烈摩擦产生。这项工作首次将大气环境下的有效电荷密度提高到1.02mC/m2，取得了重大突破。
在此基础上，基于2020年4月报道的电荷泵浦策略的旋转摩擦纳米发电机（Adv.Energy Mater.，2020，10，2000605）在低频激励下实现了旋转TENG的高输出性能。该装置在2Hz低频驱动下，峰值功率可达658mW，平均功率为225mW。
上述工作实现了电荷密度与摩擦强度之间关系的解耦，进一步促进了TENG的功率输出和耐久性瓶颈的解决。在电荷泵浦器件中,电荷被完全局限于导体层中。与普通TENG将静电荷完全约束在电介质表面相似，从静电感应的角度看，仍遵循普通TENG的基本原理。
在这里，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士的研究团队在国际知名期刊《自然通讯》上发表了一篇题为《Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling》的研究成果。本文首先提出了电荷穿梭原理（电荷穿梭Charge shuttling）和基于电荷穿梭的纳米摩擦发电装置（Charge-shuttling-based triboelectric nanogenerator, CS-TENG）。
与普通摩擦发电纳米发电机完全限制电介质表面的摩擦静电荷不同，CS-TENG将电荷限制在导电区域，利用电荷在导电区域的往复穿梭形成电流驱动负载。利用准对称双导电域中电荷的相互作用，可以产生镜像正负载电流的穿梭，使电荷转移量加倍。在导电域中的电荷作为“工质”可以通过泵浦TENG有效地注入。
基于上述原理，实现了一种高性能的能量收集装置，达到了1.85mC/m2的超高有效输出电荷密度。在此基础上，研制了以CS-TENG为核心发电单元的高性能一体化球形蓝色能源器件，并成功应用于水波能量的采集。在低频水波激励下，装置可实现电荷自泵浦激励，峰值电流可达1.3mA，峰值功率可达126.67mW。并且在300kΩ低负载电阻下可实现最大功率输出，实现蓝色能源器件性能的新突破，随着器件中集成CS-TENG单元数量的增加，输出量将进一步增加。文章还介绍了该装置是利用波浪驱动，同时点燃600盏LED灯，并用于温度和气压的检测，显示了该装置在蓝色能源等领域的巨大潜力。作为一种新的基本工作原理，电荷穿梭机的提出为开发基于限域结构中电荷运动的新型纳米发生器器件提供了思路。
该论文共同第一作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所副研究员许亮和博士研究生王华妹
图1显示了CS-TENG的电荷穿梭原理和类比模型，并显示了典型的器件输出。
如图1a和b所示，CS-TENG由主TENG、泵浦TENG和缓冲电容三部分组成。其中，主TENG和缓冲电容器的正负极分别构成准对称的正、负导电域，实现了对载流子的限域作用。正电荷和负电荷通过泵浦TENG注入两个导电域中，并在导电域间的电场相互作用下进行电荷穿梭。
具体来说，随着主TENG的接触和分离运动，导电域中不同区域将产生电势差，从而驱动电荷来回穿梭，并流经负载对外输出电能。在两导电域中镜像式地进行电荷穿梭的正、负载流子可将器件的电荷输出提升2倍，同时，限域电荷还可通过泵浦TENG不断注入导电域内，使其实现电荷密度远高于一般所能达到的摩擦电荷密度。
图1b中的类比流体模型直观地说明了导电域中“工质”电荷穿梭的原理。图1d和e中的实验表明，可以测量镜像式穿梭的电荷，并同时对正负导电域的两个负载电容器充电，这表明电荷穿梭原理可以大幅度提高器件的有效输出电荷密度。
图2. 基于直流电压源测试主TENG的性能及泵浦TENG的性能表征
（a）不同起始注入电压下，主TENG的单侧输出电荷量。
（b）起始注入电压为250V时，主TENG的电压和输出电荷量。
（c）起始电压250V时，主TENG在不同缓冲电容下的电压和输出电荷量。
（d）起始电压250V时，主TENG的输出电荷量衰减曲线。
（f）不同缓冲电容下，泵浦TENG对主TENG注入电荷时的电压变化曲线。
图2显示了主TENG的输出性能和泵浦TENG在直流电压源可控注入下的性能。直流电压源用于为主TENG提供初始电压（接触状态），而不是泵浦TENG进行电荷注入。
图2a显示，随着初始电压的增加，主TENG的单边输出电荷增加，在-250V时达到7.5μC。
图2c显示，随着缓冲电容的减小，主TENG上的分离压增大，当其超过400V时，输出电荷显著降低，这与在高压下限域电荷注入电荷有关。
图2d显示主TENG初始电荷注入后，在连续工作下电荷衰减缓慢。
图3显示了CS-TENG整体装置的电学性能，其中主TENG由泵浦TENG激励。在0.7Hz的电机驱动频率下，CS-TENG的单侧输出电荷为7.1μC，相应的输出电流为0.8mA。
图3d和e同时测试了CS-TENG的总注入电荷、输出电荷和电压，实验结果与推导的理论模型吻合良好。在电机驱动频率为1.7Hz时，器件峰值功率可达126.8mW，平均功率可达1.4mW。
要点四：集成蓝色能源器件在电机模拟水波驱动下的性能表征
（d，e）左泵浦TENG激励下，主TENG L1（d）和L1，L2（e）的单侧输出电荷量。
（h，i）不同负载下的峰值电流和负载电压（h）、峰值功率和平均功率曲线（i）
图4显示了集成蓝色能源器件的结构设计和电机驱动下的性能表征。
图4b和c表明，该集成器件的结构主要包括定子和滑块两部分，以及一个用于密封的球壳。定子固定在球壳上，滑块可相对于定子沿垂直于接触面的方向滑动。该集成器件包含4个主TENG（L1、L2、R1、R2）和两个泵浦TENG，它们分别属于两个相位。其中，L1、L2和左泵浦TENG构成左相位，R1、R2和右泵浦TENG构成右相位，实现了一个泵浦TENG激励多个主TENG。当集成器件在一个周期内左右摆动时，左右两相分别完成一次能量收集。
图4d-f显示了L1、L1和L2以及整个装置的单边特征输出。
图4g是4f的放大图，显示了集成器件在一个周期内的电流峰值特性，四个峰值形状对应于左右相位的接触和分离。该装置在电机激励频率0.67Hz下，最高功率为74mW，平均功率可达2.16mW。
要点五：集成蓝色能源器件在水波激励下的性能表征及应用场景
（a，b）水波激励单个集成器件（a）和器件网络（b）的原理示意图。
（d）集成器件单个周期内的单侧电流输出峰和电荷量曲线。
（e）集成器件在不同负载下的峰值功率和平均功率曲线。
（h，i）集成器件驱动温度计的电压曲线（h）和实验照片（i）。
（j，k）集成器件驱动气压计的电压曲线（j）和实验照片（k）。
图5描述了集成器件在水波激励下的性能，并显示了自驱动温度和气压检测。
图5a-c显示了单个集成器件和器件网络的水波激发原理和蓝色能源愿景图。该器件的单侧输出电荷在一个周期内达到53μC，是之前报道的水波能量收集器件的10倍多。当水波激励频率为0.625Hz时，集成器件的峰值功率达到最大值126.67mW，负载电阻为300kΩ，平均功率为1.22mW。高输出集成器件可收集水波能量，点亮600盏LED灯。
通过图5g所示的应用电路，该器件可在9.1s内将0.22mF电容器充电至1.38V，为温度计供电，并在240s内将2mF电容器充电至3.54V，为气压计供电，使其持续工作50s以上。
这也表明CS-TENG可作为基础器件应用于各种复杂场景中。电荷穿梭原理提供了一种全新的基本工作模式，大幅提升了器件表面电荷密度，为相关基于限域结构中电荷运动的的新型器件研发以及TENG在自驱动系统、海洋能等领域的应用提供了新思路和方向，促进了高性能TENG实际应用的发展。
本文首次介绍了电荷穿梭原理和基于电荷梭的CS-TENG，它利用限域电荷在导电区域的穿梭运动来实现机械能的收集。与普通TENG利用介电层表面的束缚静电电荷来收集能量相比，这在原理上有了新的突破。在导电域中的限域电荷可以通过泵浦TENG注入，理论上只受绝缘强度的限制。
基于镜像载流子在两个导电区域内的准对称穿梭运动，实现了器件的电荷输出加倍，达到1.85mC/m2的超高有效输出电荷密度。在此基础上，以CS-TENG为基本发电单元，构建一体化球形蓝色能源器件，实现电荷自泵浦激励的高性能水波能量收集，峰值功率126.67mW，实现了蓝色能源器件性能的新突破，并展示了自驱动温度和气压传感等应用。
这也说明CS-TENG可以作为一种基础器件用于各种复杂的场景。电荷穿梭原理提供了一种新的基本工作模式，极大地提高了器件的表面电荷密度，为基于限域结构中电荷运动的新型器件的开发以及TENG在自驱动系统、海洋能源、太阳能等领域的应用提供了条件，新的思路和方向，推动了高性能TENG实际应用的发展。
Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17891-1
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