振蕩電路輔助的納米摩擦發(fā)電機電源管理方法

近日，清華大學微納電子系王曉紅教授課題組與美國佐治亞理工學院王中林教授課題組在《先進能源材料》雜志（Advanced Energy Materials，影響因子：24.88）上線發(fā)表了題為“通過電路振蕩以實現(xiàn)納米摩擦發(fā)電機的性能提升”（“Boost the Performance of Triboelectric Nanogenerators through Circuit Oscillation”）的合作論文，首次提出一種通過自由電荷極性翻轉(zhuǎn)提升電極等效電荷面密度的電源管理方法，進而突破了長期以來摩擦納米發(fā)電機單周期內(nèi)最大輸出的限制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴設(shè)備的普及，如何為這些分布式器件進行持續(xù)供能成為當今研究的熱點。通過能量收集器來獲取自然環(huán)境中的能量，進而實現(xiàn)設(shè)備的自供電，是近些年來興起的一類綠色、低成本以及可持續(xù)的解決方案。摩擦納米發(fā)電機自2012年被提出以來受到廣泛關(guān)注，主要因為其在自然環(huán)境中能量最為充沛的低頻段具有最高的能量收集效率。然而，受限制于摩擦極化電荷面密度、摩擦層本征電容以及匹配阻抗的影響，摩擦納米發(fā)電機的輸出仍然不足以滿足當前器件的供電需求，這也是其進一步普及與商業(yè)化的主要障礙。

2015年，研究人員類比于熱力學中的卡諾循環(huán)，提出了摩擦納米發(fā)電機的理論單周期輸出極限及其實現(xiàn)方式（Cycles for Maximum Energy Output, CMEO）。此次，微納電子系王曉紅教授課題組與美國佐治亞理工學院王中林教授課題組合作，提出了一種新型電荷分布方式以及外部電路實現(xiàn)方法，通過理論和仿真驗證了其對于原CMEO極限的突破，并通過實驗進行了驗證。研究者指出，此種電源管理方法不僅在任意負載下都能突破原有輸出極限，且尤為適用于小型電子設(shè)備的低輸入阻抗情形。

王曉紅與王中林為該論文共同通訊作者，微納電子系博士生徐思行與佐治亞理工學院博士后研究員丁文伯、郭恒宇為共同第一作者。長期以來，王曉紅研究團隊致力于微型能源系統(tǒng)的研究，包括能量轉(zhuǎn)換、能量儲存與電源管理等各方面，近年來在這幾個方面均取得了突破，相關(guān)工作相繼發(fā)表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）、《美國化學學會·納米》（ACS Nano）、《納米能源》（Nano Energy）、《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）等高水平期刊。該研究成果得到了國家自然科學基金和國家基礎(chǔ)研究計劃等項目的支持。