科學家利用電荷補償機制實現摩擦納米發電機穩定超高電壓輸出

摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）被認為是一種高開路電壓的器件，並已應用於驅動離子源、等離子源、靜電紡絲及介電彈性體等，然而，要達到數千伏的高壓往往需要較大的器件面積、較高的摩擦力或者外加倍壓電路，並不能完全滿足實際應用的需求；此外，文獻中報道的開路電壓值也具有較大的離散性。如何利用TENG在微弱機械驅動下高效率產生穩定高電壓輸出是一個需要解決的重要課題。

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、喬治亞理工學院終身校董事講席教授王中林及華中科技大學教授尹周平等領導的研究團隊成功研製出了一種利用電荷補償機制實現TENG穩定超高電壓輸出的方法。研究人員發現，通過在TENG中引入一個由高壓二極體構成的電荷補償通道，可以顯著提升TENG的開路電壓，對於接觸分離式TENG，開路電壓可由約230V提升到3300V以上，提升了10餘倍，如果對發電機進行並聯或電暈極化，輸出的開路電壓可進一步提升，最高可達到7000V，同時實現了將高壓電容充電到數千伏。以上高電壓都可以在輕輕按壓TENG的情況下實現穩定輸出。研究人員還設計了實驗方法，對上述高電壓進行了直接測量表徵。該電荷補償機制的工作原理是通過二極體對開路情況下TENG兩電極中的耗散電荷自動進行補償，從而使電極中的電荷分布維持在最有利於產生高電壓輸出的狀態。通過相關理論分析也解釋了實驗中測得的開路電壓具有離散性的原因。基於此高壓TENG製作了自驅動靜電吸附系統，通過按壓TENG為靜電吸盤供給高壓電，成功實現了對導體、半導體及絕緣體的吸附及操縱，並實現了吸附重量約0.35Kg的重物。此工作提出了一種基於TENG的穩定超高電壓源及高電壓產生機制，由於該機制的普適性，也將可應用於其它模式TENG的電壓增強，在各種需要輕便、柔性、低成本的超高電壓源的場合具有廣闊的應用前景。相關成果以Giant Voltage Enhancement via Triboelectric Charge Supplement Channel for Self-Powered Electroadhesion為題發表在近期的ACS Nano上。

(a)電荷補償通道示意圖；(b)不同TENG器件的電壓增強效果；(c)電荷補償對TENG單元開路電壓影響的比較；(d)自驅動靜電吸附系統在不同的按壓次數下實現的電壓和吸附力；(e，f)自驅動靜電吸附系統對矽片及重物實現吸附及操縱。

來源：中國科學院北京納米能源與系統研究所

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