2020年3月27日，重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队研究论文“Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge density”（通过量化接触状态和建立电荷激励下的空气击穿模型来最大化摩擦纳米发电机的输出电荷密度）以重庆大学为第一单位和通讯单位在Nature Communications 上发表。重庆大学硕士生刘怡珂和博士生刘文林为共同第一作者，重庆大学胡陈果教授和佐治亚理工大学郭恒宇博士后为共同通讯作者。
随着物联网和人工智能的快速发展，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator , TENG）作为一种低成本、高效的收集环境机械能量转化为电能的新技术，成为解决分散式传感网络能源供给的重要途经之一。摩擦纳米发电机的输出电荷密度是衡量其输出性能的一个关键参数，因此，大量的工作从摩擦材料的选取、材料改性、环境控制、电荷泵等多方面来致力于改善TENG的输出电荷密度，有效的将TENG的电荷密度从最初的0.040 mC m-2提升至1.03mC m-2，扩展了TENG的应用范围。2019年，该课题组报道了一种基于倍压电路的外电荷激励TENG和自电荷激励TENG，通过电荷激励实现高达1.25 mC m-2 的输出电荷密度。然而，提升电荷密度仍是TENG进一步发展的关键因素。
为此，在该论文中通过一种量化TENG接触状态的方法和电荷激励TENG的空气击穿模型被建立来实现TENG的最大化的电荷密度输出。基于外电荷激励TENG，并采用自制的柔性碳凝胶电极以及4mm的PEI介电薄膜，在相对湿度为5%的环境空气中，达到了54.98%的接触效率，从而实现了2.38 mC m‑2的高输出电荷密度。这项工作还基于量化的表面接触效率，预测了TENG可能达到的电荷密度超过4.0 mC m-2，提供了一种判断TENG最大输出电荷密度的前瞻性技术方法，有助于将TENG的输出性能推向更高水平。
该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。
图.a)电荷激励TENG的结构示意图(插图1碳凝胶电极的实物图，插图2碳凝胶电极的电学性质), b)由不同厚度的电介质制成的电容器的电容,c)六种不同优化结构的TENG的有效接触面积和真实电荷密度,d) TENG的输出电荷密度比较,e)不同外部负载下的输出电流，电压和峰值功率,f)使用电荷激励TENG为电容器充电的充电曲线。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15368-9
