摘要：摩擦纳米发电机（TENG）作为一项基于摩擦起电和静电感应的新兴发电技术，可以有效地将人体运动能量与海洋能等环境中低频的机械能转化为电能。由于其结构简单、成本低廉、灵活性和多功能性的优点，TENG在自供电环境监测、人机交互和智能可穿戴设备等应用中逐渐显示出广阔的

摩擦纳米发电机（TENG）作为一项基于摩擦起电和静电感应的新兴发电技术，可以有效地将人体运动能量与海洋能等环境中低频的机械能转化为电能。由于其结构简单、成本低廉、灵活性和多功能性的优点，TENG在自供电环境监测、人机交互和智能可穿戴设备等应用中逐渐显示出广阔的前景。通常，TENG的输出表现为瞬时脉冲，具有非连续输出特性，导致其为电子设备供电时能量利用效率低下。因此，开发具有连续和稳定输出能力的TENG（SC-TENG）已成为该领域的研究热点。

近期，重庆大学物理学院胡陈果、王雪教授团队基于摩擦界面电荷收集与由此引起的介电聚合物聚氨酯泡棉的偏压极化构建了一种双通道恒流输出摩擦纳米发电机（DSC-TENG）。这种结构设计显著提升电荷释放效率，使得电荷总输出提升325%。除此之外，基于正摩擦电材料的偏压极化对底电极的输出一致性可以将传统具有复杂结构的底电极优化为一整块电极，极大程度简化了制作工艺。这项工作揭示了一种通过构建表面非平衡态实现双通道恒流输出的新机制，为SC-TENG在高效能量转换和多功能集成应用中开辟了新途径。该工作以“Surface Non-Equilibrium State Induced by Unipolar Charge Collection for Constructing Constant Current Power Generation”为题发表在

为了构建出空间利用率高的SC-TENG器件，作者根据界面电荷收集和介电材料中电荷迁移的原理分别用作器件顶部和底部的能量输出。传统Freestanding结构的TENG具有交流形式的电输出特性，其电流波形与理想的方波相比，输出的持续性并不令人满意。并且对于此类摩擦电荷只能存在于电介质表面的材料来说，高输出和好的耐磨性无法同时兼得。为了解决这些问题，正摩擦电材料被替换为聚氨酯（PU）泡棉，一种具有弱电荷束缚能力的介电聚合物。在摩擦高压下，其表面的摩擦电荷能够在材料内部持续向下迁移，保证了TENG器件的输出持续性和稳定性，并且电输出也有所提升。在上述的结构和材料基础上，在滑块上增设一个侧电极来增强底部电极的输出能力（通道二）和同时实现上部滑块能量的收集（通道一）。进行实验后发现通道一的实际输出与预期中的一致，但通道二的实际输出展现出奇怪的非对称交流形式，这与之前所预期的仅出现输出增强的效果严重不一致。

图1：一种具有高能量收集效率的SC-TENG器件

接下来，进一步展开研究这种非对称交流输出。可以将其看作一个对称交流输出（AC）和一个直流输出（DC）的叠加。首先，AC来源于传统Freestanding结构中由于滑块移动所引起的电位变化。其次，对于DC，作者认为这与介电聚合物材料PU的极化有关。侧电极的电荷收集使整个摩擦平面呈现非平衡正的偏压态。PU在这个偏压下发生极化，电荷不平衡摩擦区域下方的底电极都会形成流向地的定向电流，这是直流成分产生的原因。为了验证上述结论，作者进行了两个补充实验。首先，在传统Freestanding-TENG结构下逐渐增加PU厚度至4mm时，交流成分逐渐减少为可以忽略。而在增设侧电极的结构上逐渐增加PU厚度时，非对称的交流输出逐渐变为直流输出。这证明了对于交流、直流成分来源的猜想。其次，由于负摩擦电荷的持续收集，整个摩擦平面可以等效为一个移动的正高压源。为了验证这一说法，作者使用正高压源来模拟滑块形成的正偏压。不同PU厚度下底电极的测量结果与实际运动下所获得的结果保持一致。因此，上述的结论得到了验证，一种因电荷收集引起的偏压极化形成的新直流输出机制被获得。

图2：电荷收集引起的偏压极化形成的一种新的直流输出机制

为了进一步证明摩擦偏压诱导的介质极化在底电极直流输出中的主导作用，而不是偏压对底电极直接的感应输出，作者展开以下实验：控制两块电极距离不变，上方电极连接高压源（电压值恒定）、下方电极连接测试端。分别探究介质为空气和PU时下方电极的电输出，结果发现后者的电输出更大。这可以直观地理解为电介质的极化可以实现电压从上往下的传递，因此显著提升了输出。在这个基础上，基于偏压极化对底电极的输出一致性，可以将传统交错复杂的底电极替换为一整块电极，大大节省了制作工艺。当滑块来回滑动时，就会实现滑块等效摩擦正负偏压的切换，通道一、二也随之形成相应的恒流输出。简单地说，作者通过控制滑块的运动方向来收集特定极性电荷从而形成整个摩擦界面的定向偏压（正偏压或负偏压），验证了一种基于这种偏压下介电聚合物发生极化的全新恒流输出机制，最终成功构建了一个双通道恒流输出DSC-TENG器件。

图3：偏压极化输出一致性形成恒流

作者设计的这种双通道恒流输出结构能够极大促进电荷的释放。当仅存在侧电极时，摩擦界面会积累大量剩余的正电荷，无法通过额外的渠道进行释放，这反过来会降低侧电极对界面负电荷的收集效率。而作者设计的器件结构能够将这些多余正电荷通过材料化的方式进行释放，这不仅促进了侧电极的电荷收集效率，还获得了双通道的输出效果。相比于仅有侧电极的结构，DSC-TENG的电荷量总输出增加了325%。接下来通过调整一些关键参数（滑块宽度、滑块运动速度、相邻滑块间距）对DSC-TENG的输出进行调控，最终实现了集成一到四单元滑块的器件结构。

图4：DSC-TENG的充分电荷释放效果以及输出优化集成

在获得集成了的双通道恒流输出器件之后，为了更好的实现后端应用，DSC-TENG需要经过电源管理电路来优化输出。接下来，作者设计了电析氢和70米无线传输应用来展示DSC-TENG电源收集系统优异的高稳定输出性和持续性，这展现了TENG在自供电系统中巨大的发展潜力。

图5：DSC-TENG的实际应用展现

总结：总之，作者展示了一种基于电荷收集与介电聚合物的偏压极化的新型双通道连续稳定输出TENG。首先，与之前的设计不同，作者在非平衡摩擦电表面电荷态下从绝缘介电材料中获得了额外的极化输出。其次，DSC-TNG系统显著提升了电荷释放效率，使得总输出电荷增加了325%。最后，DSC-TENG通过电解水制氢和70米无线传输验证了其高稳定性和持续的输出能力。这些应用突出了其在自供电系统和大规模能量收集方面的潜力。这项工作通过构建表面非平衡态解决了电荷积累问题，未来的研究可能会集中在中间层设计，以充分释放剩余的净电荷。或者优化结构配置，以防止剩余电荷的产生。这些策略都将进一步提高TENG的商业应用效率。

来源：科学海阳