近日，重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“优化电荷传输行为的高输出自激液体悬浮摩擦纳米发电机” (Large Harvested Energy by Self-excited Liquid Suspension Triboelectric Nanogenerator with Optimized Charge Transportation Behavior) 的研究论文。重庆大学为唯一通讯单位，物理学院博士生贺文聪为第一作者，物理学院胡陈果教授为通讯作者。
摩擦纳米发电机（TENG）已经在能量收集领域取得了飞速发展。为了能够为功能强大而且多样的各式传感器供能，大量的关于提升TENG的输出的研究已经开展并取得了很好的成果。然而在提升TENG输出能量的同时也发现，仅仅提升TENG的输出是不够，还需要同时提升器件的耐久性，以便更适合实际应用。为此，研究者们就提升TENG的耐久性进行了诸多的研究，包括软接触、间歇性接触、滚动摩擦代替滑动摩擦、液体润滑、非接触等方法。这些策略在一定程度上减少了器件的磨损，提升了TENG的使用寿命。然而其代价仍然是牺牲部分输出。在这些策略中，对于提升耐久性，非接触模式无疑是最好的策略，但是其输出目前还不是很乐观且要求其材料预先带电，因此，优化非接触模式TENG的输出具有重要的实际应用意义。
研究指出，在动子和定子之间的间隙中，电荷在液体电介质中的输运行为可以很好的被研究。我们通过实验证实了绝缘性液体电介质的固-液摩擦起电效应、电荷在绝缘性液体中的输运和耗散效应以及同种介质非均匀电荷密度下的静电感应效应对于自激励液体悬浮摩擦纳米发电机（LS-TENG）的输出的促进作用。双介电层保护了电极不受液体侵蚀并防止了电极上电荷逃逸，奠定了电荷密度的基础；固-液摩擦起电和液体流速梯度造成的不均衡电荷密度下的同种介质感应起电摆脱了传统非接触式TENG的初始带电的困扰，实现自启动。该LS-TENG不再需人为预先带电，极大的提升了器件的实用性。在以上三种效应的共同作用下，LS-TENG的电荷密度可达到704 µC m-2，为目前非接触式器件输出的最大值。由于其非接触的特性，较小的能量可以驱动其工作，将其用于收集风能，峰值功率密度可达23.9 W m-2。结合电源管理电路，在低风速下，充电速率可达745 µC s-1，能够为多种无线传感器供电。并且在超过至少23万次循环中保持平稳恒定输出。本工作提供的方法为研究液体-电荷输运行为和提升非接触TENG的输出提供了新思路。
该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目等基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202209657
图1. a) LS-TENG收集风能为传感网络供电的愿景图；b) 固液起电和自激励；c) 电荷在液体中传输和耗散； d) 发电机的输出电荷密度；e) 与同类别器件的输出对比。
