今日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微納系統(tǒng)與仿生醫(yī)學(xué)研究中心王昊副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種對(duì)于納米摩擦發(fā)電機(jī)器件進(jìn)行可編程操作的策略，實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)于摩擦界面材料的改進(jìn)，單純通過(guò)設(shè)定的操作程序?qū)崿F(xiàn)電荷在器件內(nèi)循環(huán)累積實(shí)現(xiàn)超高電壓輸出。相關(guān)論文Programmed-triboelectric nanogenerators—A multi-switch regulation methodology for energy manipulation（可編程的摩擦納米發(fā)電機(jī)-一種基于多開(kāi)關(guān)調(diào)控的能量操作策略）在線(xiàn)發(fā)表于能源材料頂級(jí)期刊Nano Energy (IF= 15.2)上(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105241)。深圳先進(jìn)院王昊副研究員是論文共同第一作者。 

摩擦納米發(fā)電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、適用性廣，能夠?qū)L(fēng)能、水能和人體運(yùn)動(dòng)等機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于能量收集，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自供能電源和各類(lèi)自供能傳感器等，因而受到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是將來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)最有希望的能源方案之一。 

傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)通過(guò)按壓或者滑動(dòng)的方式，將兩種不同電負(fù)性材料摩擦所生成的靜電荷與背后的電極板產(chǎn)生靜電感應(yīng)，因而在外接負(fù)載上生成電流。為了增大摩擦納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的能量，一般的研究方向是通過(guò)材料的改進(jìn)以增大表面靜電荷密度或通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以提高能量收集的效率。 

然而，王昊團(tuán)隊(duì)提出了第三種對(duì)于提高摩擦納米發(fā)電機(jī)能量輸出的可能研究方向，即改進(jìn)操作程序。傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的操過(guò)程涉及到了電荷生成、電荷轉(zhuǎn)移和能量生成三個(gè)更基本的物理過(guò)程，這里稱(chēng)為元操作。傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)操作（按壓或滑動(dòng)）實(shí)際上是這三個(gè)元操作按照一個(gè)特定時(shí)序與組合的循環(huán)，可以被認(rèn)為是一個(gè)最簡(jiǎn)單的程序（即三個(gè)元操作的時(shí)序和組合）。 

顯然，這三個(gè)元操作能以更復(fù)雜的時(shí)序與組合進(jìn)行循環(huán)操作，在生成能量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電荷在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)累積，導(dǎo)致輸出能量隨著程序運(yùn)行的持續(xù)增長(zhǎng)，直至其電壓過(guò)高擊穿器件內(nèi)部的介電質(zhì)時(shí)達(dá)到最大值。 

通過(guò)編程以提高摩擦納米發(fā)電機(jī)能量輸出的方案有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，可編程摩擦納米發(fā)電機(jī)的最大輸出并不受摩擦界面的材料影響。第二，其最大電壓僅受電極板間介電質(zhì)擊穿電壓的限制，因此其器件的優(yōu)化主要注重于提高介電擊穿電壓。第三，理論上存在無(wú)數(shù)種可能的程序，可以適配于各類(lèi)機(jī)械操作方式。研究展示了三種可能的程序，通過(guò)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同類(lèi)型的物理操作（比如單向運(yùn)動(dòng)，來(lái)回運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）輕易的實(shí)現(xiàn)1.5 kV-1.8 kV的高壓輸出。因此基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和物理操作方式設(shè)計(jì)并優(yōu)化程序成為摩擦納米發(fā)電機(jī)另一個(gè)替代研究方向。 

該項(xiàng)研究得到廣東省科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究和深圳基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的資助。 

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520308193

圖1. 傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的操作機(jī)制與分解出的三種元操作 

圖2. 可編程摩擦納米發(fā)電機(jī)的程序案例之一：電荷振蕩器