重庆大学胡陈果教授团队最新AM综述：摩擦电纳米发电机关键部件的电荷产生与增强研究进展

在过去的十年中，随着功能介电材料的设计和合成、新型动态电荷传输机制的探索以及结构设计的创新，摩擦电纳米发电机(TENG)的性能取得了显著进展，使其成为能量收集的最关键技术之一。高输出电荷密度是扩大TENG应用范围、加快产业化的基础；它依赖于核心组件电荷的产生、俘获、去俘获和迁移的动态平衡。一般来说，电荷的产生和俘获主要受电介质的分子结构和基团的影响。相反，电荷衰减和中和主要与电介质的陷阱状态和环境参数有关，电荷迁移则与电场强度和电介质的导电性有关。介电材料内部束缚电荷在电、磁、光、力、热等外场作用下的极化过程也会影响电荷输运。此外，TENG电极材料的选择同样重要，因为它涉及到与材料的接触效率和功函数的差异。因此，深入了解摩擦介质材料中的动态电荷的输运是提高TENG输出的先决条件。

到目前为止，基于各种复杂的结构、优化的电荷传输路径和新机制的发现，接触式TENG （CS-TENG）的电荷密度已经从10增加到8600 µC m −2，直流电TENG （DC-TENG）的电荷密度已经达到10.06 mC m −2。及时系统地重组这些发展将在理论上和技术上有利于高性能TENG的未来研究、开发和应用。对此，重庆大学胡陈果教授团队撰写了题为《Charge Generation and Enhancement of Key Components of Triboelectric Nanogenerators: A Review》的综述文章并成功发表在国际著名期刊《ADVANCED MATERIALS》上。本综述对提高电荷产生层、电荷捕获层和电荷收集层的电荷密度的创新方法进行了分类和总结。从材料选择和创新机制两方面综述了高电荷密度TENG的里程碑式进展。详细讨论了产生高电荷密度和抑制电荷衰减的最新原理和技术，着重介绍了不同的电荷输运机制、先进材料制备技术和有效的电荷激发策略。最后，总结了提高输出电荷密度的瓶颈和未来的研究重点。论文的第一作者为博士研究生王建与徐蜀妍。

图1：提高TENG输出电荷密度的先进策略示意图概述

图文导读

1.CS-TENG的高输出电荷密度发展重要里程碑

输出电荷密度直接决定了TENG的输出能量，是一项至关重要的性能指标。因此，研究人员采用了不同的技术和方法来提高TENG的输出电荷密度，如图2。在CS-TENG开发的初级阶段，研究人员旨在通过优化接触效率和改性摩擦电材料来提高摩擦电容量，从而提高表面电荷密度。这包括选择具有显著不同电负性差异的摩擦电材料，图案化电介质的微观结构，以及改性摩擦介质。然而，TENG的有效输出电荷密度仍然低于1003 µC m −2。值得注意的是，自2018年电荷激励策略发明以来，TENG获得了新的发展机遇，最大输出电荷密度逐渐提高，并逐步达到了商业应用标准。传统的TENG根据介质的摩擦起电特性产生输出，而电荷激励TENG （CE-TENG）的输出取决于介质的电容容量。电荷在电极和激励电路之间穿梭，以尽量减少空气击穿对输出的影响。此外，进一步结合材料自身的特性，如自极化效应和电荷捕获失效效应，CE-TENG的最大输出电荷密度可达4130 µC m −2。最近，利用超高介电常数材料制备的CE-TENG的电荷密度高达8600 µC m −2。另一方面，CE-TENG还可以在介质表面实现电荷自注入，在短时间内显著提高了TENG的输出。电荷自注入技术比电晕极化和离子辐照等其他方法效率更高，成本更低。相信随着材料科学与工程的不断进步，TENG的输出将突破空气击穿和介质击穿的限制，使其达到一个新的水平。

图2：CS-TENG的高输出电荷密度发展重要里程碑

2.优化电荷产生层以提高输出电荷密度

一般来说，传统TENG的输出取决于摩擦电材料之间电负性的差异。当两种电负性不同的材料完全接触时，电子从价带较高的介质材料向价带较低的介质材料转移，从而达到电子态平衡。因此，TENG的最大输出取决于电荷产生层存储电荷的能力，这涉及到电介质的分子构型、基团组成和电荷锁定能力。近年来，研究人员在提高电荷存储能力方面取得了显著进展。在这里，我们将重点介绍通过材料选择和优化，环境控制，和先进的电荷注入策略来增加TENG输出的原理和最新进展。

图3：各种物理方法优化电荷生成层。

3.优化电荷俘获层以提高输出电荷密度

虽然通过材料选择、环境控制和电荷注入策略，TENG的输出电荷密度取得了突破，但必须解决电荷耗散问题。一般来说，电荷耗散主要有三种途径：大气离子中和、表面传导和体传导。抑制大气中电荷中和可以通过调节气体成分来实现，而调节表面和体传导则需要额外的电荷捕获层。当摩擦电层电荷密度较高时，由于电场效应和电荷浓度差，电荷漂移或扩散到介质中。因此，电介质失去了有效存储电荷的能力，最终导致TENG输出的下降。添加电荷捕获层有两个主要原因。i)设计电荷俘获层，俘获向下迁移的电荷，防止与底部电极上的感应电荷中和；ii)构建电荷转移通道，将表面电荷存储在介质深处，防止电荷耗散。近年来，研究人员在设计电荷俘获层方面取得了显著进展。在本章中，我们将重点介绍不同成分的电荷俘获层的电荷转移机制和最新进展，包括金属，无机非金属，有机和复合材料，以提高TENG输出电荷。

图4：无机非金属基电荷俘获层的制备及其电荷转移机理。

4.优化电荷收集层以提高输出电荷密度

如前所述，研究人员通过材料改性来提高电荷产生层的摩擦起电能力，并进一步设计电荷俘获层以最小化摩擦电荷耗散。然而，TENG的输出电荷密度仍然低于1250 µC m −2。这主要是由于摩擦层与电极之间的接触界面有轻微的波动和不规则性，导致摩擦界面的接触效率较低。另一方面，这些气隙在TENG分离过程中导致空气击穿，使其难以保持高电荷密度。因此，优化电极也是提高TENG输出的关键。传统的摩擦电极材料通常包括金属基电极，如铝、铜和钢，以及高导电性的二维材料，如石墨烯和导电织物电极。尽管这些材料具有优异的柔韧性，但不能保证接触效率。此外，在抑制空气击穿方面，电荷激励策略依靠TENG与外部激励电路之间的电荷穿梭来最大限度地减少电荷损失。因此，我们主要强调液态金属、共形接触和新材料电极的最新进展并着重介绍了不同模式下TENG的电荷转移机理和电荷激励策略的创新设计。

图5：利用自电荷激励策略提高TENG的输出电荷密度。

5.总结与展望

在本文中，我们首先全面回顾了电荷密度改进过程中具有里程碑意义的工作，记录了TENG输出电荷密度从10 µC m −2增加到8600 µC m −2的历史发展轨迹。其次，根据TENG的结构，将其功能层分为电荷产生层、电荷俘获层和电荷收集层三个部分。同时，陆续介绍了提高各功能层电荷密度的先进策略和方案，包括：1)通过材料改性（物理/化学方法）、环境控制（高/低压、温度、湿度）和电荷注入策略（电晕极化、离子辐照、电荷激励）来增强电荷生成能力。ii)用不同的填料（金属、无机非金属、有机和复合材料）设计电荷输运和俘获层，抑制电荷耗散。iii)优化接触效率（液体和保形金属），利用电荷激励策略（外部电荷激励、自电荷激励、滑动激励和非接触激励），在空气击穿限制下实现最大的输出电荷密度。

尽管到目前为止这些巨大的进步使TENG向潜在的应用迈出了重要的一步，但进一步提高TENG的输出电荷密度同时抑制电荷耗散仍然是一个巨大的挑战。目前所获得的超高电荷密度取决于苛刻的实验环境，并且是开路电荷密度。在实际应用中，TENG的性能会迅速下降。因此，根据我们的调查结果，该领域的重要课题将继续是解决以下几个方面：

1.高电荷保留容量新材料的开发。

2.抑制空气击穿和介质击穿。

3.电荷输运机制的协同效应。

4.开发合适的电源管理解决方案。

5.AI辅助高性能TENG的逆向设计。

文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202409833

来源：高分子科学前沿

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