黄维院士团队《AM》：一种具有超高电流密度和高抗湿性能的摩擦纳米发电机！

摩擦纳米发电机（TENG）能够利用摩擦起电效应和静电感应，有效地将离散的低频机械能转化为电能，其摩擦发电层通常由具有不同电子亲和力的介电聚合物组成。在某些情况下，具有失电子能力的金属也可以用作正摩擦发电层。当前，低输出电流是限制TENG实际应用的主要问题。为此，如何提高摩擦发电层间的电荷转移或缩短电荷转移时间是提高TENG输出电流的关键。

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将导电材料同时作为摩擦发电层和电极，研制出了一种新型的摩擦发电层。由于两层摩擦发电层之间的状态密度匹配，当使用PEDOT:PSS薄膜和铜箔作为摩擦发电对时，该C-TENG达到了1400 V的开路电压和1333 mA m-2的超高电流密度。与传统的TENGs相比，电流密度增加了近三个数量级。此外，C-TENG可以在高湿度环境中，甚至是在有水滴污染的情况下稳定工作。这项工作为构建高性能TENGs提供了一种新的有效策略，有望在将来应用于多种场合。该研究以题为“Density-of-state matching-induced ultrahigh current density and high-humidity resistance in a simply structured triboelectric nanogenerator”的论文发表在《Advanced Materials》上。

【C-TENG的设计与输出性能】

作者研究发现，当两个摩擦发电层都由导电材料组成时，TENG的输出性能，特别是短路电流，相比于由介电/介电和介电/导体对组成的TENG显著提高。其中，当采用Cu和PEDOT:PSS（一种导电聚合物）作为摩擦发电材料时，TENG的输出电压可以达到约1000 V，这一数值明显大于由介电/介电和介电/导体对组成的TENG。而短路电流可以达到1200 µA，大约比由介电/介电和介电/导体对组成的TENG高3个数量级。相应的电流密度为1333 mA m -2，比TENG在接触分离模式下工作时报道的最高电流密度高55倍。相比之下，基于Cu/Al的TENG的输出性能略低，这可能是由于Cu和Al的表面电位差异较小。这些结果证明了摩擦发电材料之间的状态密度匹配对于提高TENG的输出电流至关重要。

图1 C-TENG的设计与输出性能

【C-TENG的稳定性】

C-TENG在循环测量中表现出很高的稳定性。在环境条件下运行10000次后，其开路电压和短路电流均保持在初始值，且在7天内都表现稳定，这种高稳定性有利于其在实际场合中的应用。此外，C-TENG在高湿环境中也表现出较高的稳定性。当相对湿度从10%增加到100%时，其开路电压和短路电流几乎没有变化。在100%的高湿度下，C-TENG在10000次循环后也几乎没有变化，证明了其在高湿环境下的耐用性。即使存在水滴，C-TENG也表现出了优异的性能，开路电压可达350 V，短路电流可达700 µA，分别为干燥状态下的78%和83%。这可能是由于高导电摩擦发电层的存在抑制了电荷的泄漏。因此，这种高水稳定性使C-TENG展现出了巨大的应用潜力。

图2 C-TENG的稳定性和耐湿性

图3 被水滴污染的C-TENG的稳定性

【C-TENG的应用】

C-TENG可用于能量转换和驱动电子设备。随着外电阻从10 3增加到10 9 Ω，C-TENG的输出电压从400 V增加到1400 V，输出电流从2.4 mA下降到2 µA。当外部电阻为100 kΩ时，C-TENG展现出最大功率密度为160 W m -2。相比之下，基于介电摩擦副的TENG在外部负载为100 MΩ时，其最大功率密度仅为0.58 W m -2。C-TENG所获得的交流电可以转换为直流电给电容器充电，一个商用的10 µF电容器可以在13秒内充电到5 V。转换后的直流电可用作许多电子设备的电源，例如电子计算器。此外，在30%的湿度条件下，5×5平方厘米的C-TENG可以点亮约700个发光二极管，并且即使在100%的湿度条件下仍能点亮600个LED，而传统的基于介电摩擦副的TENG在100%湿度下几乎不能点亮LED。这显示了C-TENG在高湿环境下的高稳定性，证明了C-TENG作为电源的巨大优势。

图4 C-TENG的应用

总结：作者开发了一种新型的C-TENG，其能在接触分离模式下表现出1333 mA m -2的超高输出电流和160 W m -2的功率密度。由于摩擦发电层的高导电性，C-TENG可以在高湿环境中，甚至在有水滴污染的情况下稳定工作。此外，该C-TENG不仅可以进行高效的能量收集，还可以为电子设备供电。该策略可以进一步扩展到各种超高性能的新型TENG的设计与制造中，以进一步提高TENG的输出性能。

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

来源：高分子科学前沿

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