如何利用TENG在微弱機(jī)械驅(qū)動(dòng)下高效率產(chǎn)生穩(wěn)定高電壓輸出

摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator,TENG）被認(rèn)為是一種高開路電壓的器件，并已應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)離子源、等離子源、靜電紡絲及介電彈性體等，然而，要達(dá)到數(shù)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，并不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求；此外，文獻(xiàn)中報(bào)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(jī)械驅(qū)動(dòng)下高效率產(chǎn)生穩(wěn)定高電壓輸出是一個(gè)需要解決的重要課題。

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、佐治亞理工學(xué)院終身校董事講席教授王中林及華中科技大學(xué)教授尹周平等領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功研制出了一種利用電荷補(bǔ)償機(jī)制實(shí)現(xiàn)TENG穩(wěn)定超高電壓輸出的方法。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在TENG中引入一個(gè)由高壓二極管構(gòu)成的電荷補(bǔ)償通道，可以顯著提升TENG的開路電壓，對(duì)于接觸分離式TENG，開路電壓可由約230V提升到3300V以上，提升了10余倍，如果對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行并聯(lián)或電暈極化，輸出的開路電壓可進(jìn)一步提升，最高可達(dá)到7000V，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將高壓電容充電到數(shù)千伏。


以上高電壓都可以在輕輕按壓TENG的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。研究人員還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)上述高電壓進(jìn)行了直接測(cè)量表征。該電荷補(bǔ)償機(jī)制的工作原理是通過二極管對(duì)開路情況下TENG兩電極中的耗散電荷自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使電極中的電荷分布維持在最有利于產(chǎn)生高電壓輸出的狀態(tài)。通過相關(guān)理論分析也解釋了實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的開路電壓具有離散性的原因。基于此高壓TENG制作了自驅(qū)動(dòng)靜電吸附系統(tǒng)，通過按壓TENG為靜電吸盤供給高壓電，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體及絕緣體的吸附及操縱，并實(shí)現(xiàn)了吸附重量約0.35Kg的重物。

此工作提出了一種基于TENG的穩(wěn)定超高電壓源及高電壓產(chǎn)生機(jī)制，由于該機(jī)制的普適性，也將可應(yīng)用于其它模式TENG的電壓增強(qiáng)，在各種需要輕便、柔性、低成本的超高電壓源的場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以Giant Voltage Enhancement via Triboelectric Charge Supplement Channel for Self-Powered Electroadhesion為題發(fā)表在近期的ACS Nano上。

(a)電荷補(bǔ)償通道示意圖；(b)不同TENG器件的電壓增強(qiáng)效果；(c)電荷補(bǔ)償對(duì)TENG單元開路電壓影響的比較；(d)自驅(qū)動(dòng)靜電吸附系統(tǒng)在不同的按壓次數(shù)下實(shí)現(xiàn)的電壓和吸附力；(e，f)自驅(qū)動(dòng)靜電吸附系統(tǒng)對(duì)硅片及重物實(shí)現(xiàn)吸附及操縱。