王中林院士Adv. Funct. Mater.：摩擦纳米发电机最大有效能量输出的主要限制因素—空气击穿效应

【引言】

摩擦纳米发电机（TENG）的最新进展表明其在高效机械能量采集-转换技术中存在巨大的发展潜力，研究人员通过最大限度地提高摩擦表面电荷密度，可以实现能量输出的有效提升。然而，在高压条件下，空气会被击穿，在接触分离（CS）模式的TENG中大部分增强的表面电荷不能保留，进而不能用于发电。

【成果简介】

北京时间5月2日 ，中科院王中林院士课题组在Adv. Funct. Mater.上发表最新研究成果“Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation-Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown”，证实空气击穿效应是限制CS模式TENG最大有效功率输出的主要因素。

此次，王中林院士课题组在高阻抗外部负载下，证实在低阈值表面电荷密度为40-50μCm^-2的CS模式TENG中，存在空气击穿效应，限制了TENG的最大有效能量输出。研究人员进一步对不同压力和气体环境等因素进行了探索，为如何降低空气击穿效应的影响提出了解决方案。

【图文导读】

图1  具有低电荷密度的CS模式TENG中存在空气击穿效应

（a）通过Paschen定律计算在1atm空气中的击穿电压，其中A-E点显示不同转移电荷量Q下CS模式TENG的摩擦表面之间的电压V₁，插图为TENG的示意图；

（b）由COMSOL Multiphysics软件模拟的A-D点的潜在分布；

（c）V-Q图中摩擦表面之间电压V₁的分布；

（d）V-Q图中击穿电压V_b的分布；

（e）V-Q图中V_b-V₁的分布，红色虚轮廓线为0 V，“+”和“-”区域以此轮廓线分开。

图2  证实具有低阈值表面电荷密度的空气击穿的存在性

（a） CS模式TENG运行期间空气击穿的过程和最终充电密度测量的机理图；

（b-c）初始和最终电荷密度测量，初始电荷密度为35.8μCm^-2， 插图显示相应的电路；

（d-e）初始和最终的电荷密度测量，初始电荷密度为82.3μCm^-2；

（f）六个TENG的最终充电密度的测试结果，虚线表示相同的初始和最终电荷密度，绿色区域表示空气不击穿，蓝色区域表示空气击穿。

图3  各种电荷密度的CS模式TENG的击穿区域

（a）TENG结构示意图；

（b-f）具有各种电荷密度的CS模式TENG的击穿区域（红色）。

图4  各种电荷密度的CFT模式TENG的击穿区域

（a）TENG示意图；

（b-f）具有各种电荷密度的CFT模式TENG的击穿区域（红色）。

图5  各种电荷密度的SEC模式TENG的击穿区域

（a）TENG示意图；

（b-e）具有各种电荷密度的SEC模式TENG的击穿区域（红色）；

（f）显示三种模式TENG的每个周期的最大有效能量输出。

图6  不同压力和气体环境下TENG的空气击穿极限与最大有效能量输出

（a）帕斯克定律的曲线；

（b-d）不同环境下三种模式TENG的每个周期的最大有效能量输出。

【小结】

通过一系列理论模拟计算和实验，证明了低阈值表面电荷密度为40-50μCm^-2的CS模式TENG中，存在空气击穿效应， 抑制了TENG在CS、CFT和SEC模式中的能量输出。研究人员对不同压力和气体环境中的TENG能量输出情况进行了测试，通过与1 atm空气进行比较，为如何降低空气击穿效应，从而提高TENG的有效能量输出，提供了可能的解决方案。

文献连接：Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation-Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown（Adv.Funct.Mater., 2017, DOI:10.1002/adfm.201700049）

本文由材料人编辑部卢海洲编译，赵飞龙审核， 点我加入材料人编辑部。

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