万物互联的物联网时代已经到来，各种分布式传感器、可穿戴设备愈加普及，长期稳定的电能供给问题成为制约产业发展的关键瓶颈。作为一种高效的低频动能收集技术，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，简称TENG）被认为是一种环境友好、极具潜力的分布式能源解决方案。但是，早期的TENG受制于摩擦介电材料的表面电荷密度较低，静电感应电流有限，输出性能有待提高。为了提高表面电荷密度，通常的方法集中在材料选择、表面改性、结构设计以及环境控制等方面，但性能提升有限。最近兴起的电荷泵技术有望进一步提高TENG的输出性能，然而，大多数的电荷泵技术都是基于输出性能并不高的接触分离式TENG且缺少必要的输出管理电路。同时接触分离式TENG需要较高的驱动频率，其输出的电压/电流波形为脉冲形式，不利于实现电能的持续有效输出。因此，探索新的电荷密度增强机制与方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

  近日，由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士与清华大学机械工程系季林红教授、程嘉副研究员领导的科研团队提出了一种新型滑移式电荷泵技术可显著稳定TENG的输出电压与提高输出电流。该技术基于电荷泵的思想，利用滑移式可变电容器与固定电容间的电荷来回流动以对外输出电能。通过电源管理模块来提高可变电容器极板电压以存储更多电荷，同时降低输出电压并提高输出电流。利用该电荷泵技术，输出电压的波动可降低63.9 %且输出电流可提高43.4 %，同时实现了1328 μC m^-2的表面电荷密度，可在低频条件下持续供能468 LEDs、电子表和传感器等小功率电子元器件。该技术对于探索提高TENG输出性能的新型机制与方法具有指导和借鉴意义。相关研究论文以题为“Charge Pumping for Sliding-mode Triboelectric Nanogenerator with Voltage Stabilization and Boosted Current”于2021年5月18日在国际期刊《Advanced Energy Materials》上在线发表。

图1 滑移式电荷泵结构与工作原理图。a.电荷泵结构模型图。b.主TENG结构组成图。c.电荷泵工作原理示意图。d.主TENG润滑和非润滑下的电容对比图。c, f.正负通路中的电荷与电压曲线图。 

图2 滑移式电荷泵的电学特征。 a.电流流向调节和电学测量。b, c.初始输出和加主TENG输出以及加固定电容器输出的电压。d.电压曲线的FFT。e, f.单周期内输入和震荡电荷量。e.平均输入和震荡电荷量。

图3 电学输出特征对比图。a倍压整流器模型图。b.倍压整流器输出电压图。c.二倍压输出电压对比图。d, e.接入两种整流器后的不同驱动频率下输出电压图。f.两种整流器的输出电压对比图。g.不同频率下接入倍压器后的输出电流图。h.两种整流器输出电流对比图。i.不同频率下两种整流器的输出电流对比图。j.输出电能利用原理图。k.输出负载特性曲线。

图4 输出电能的利用。 a.输出电压降低与电流增强电路原理图。b.实验测试系统图。c, d.温湿度传感器工作电压变化曲线图。e, f.温湿度传感器工作实物图。g, h.电子表和湿度传感器工作实物图。i, j. LED灯和荧光管工作实物图。

  团队提出了一种新型滑移式电荷泵技术，用于提高TENG的输出电压稳定性和增强输出电流。不同于传统TENG电能输出，该电荷泵利用可变电容器和固定电容器之间的电荷来回流动对外输出电能。利用电源管理电路来提高可变电容器极板电压以存储更多电荷，并降低输出电压和增强输出电流，可使输出电压的波动性降低63.9 %和输出电流提高43.4 %，同时得到了1328 μC m^-2的超高表面电荷密度。研究成果对于探索新型提高TENG输出性能的方法和策略具有一定的参考和借鉴意义。

  该项目研究获得国家自然科学基金（52075286, U1613207）、国家重点研发计划（2018YFF0300606）等项目的资助，谨此感谢。

  论文信息：

  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