2021年8月3日，重慶大學物理學院胡陳果教授課題組，在Nature Communications上發表了題目為“用於環境中的微能量收集的高性能懸浮自激滑移式摩擦納米發電機”（High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting）的研究論文。重慶大學為唯一組織，重慶大學碩士生龍梨為第一作者，重慶大學胡陳果教授和劉文林博士為共同通訊作者。
摩擦電納米發電機（triboelectric nanogenerator，TENG）基於摩擦起電和靜電感應的耦合效應，被證明是一種有效的分佈式能量收集策略。根據驅動模式的不同，可分為垂直接觸-分離模式和水准滑動模式。滑動模式將機械能（如往復和旋轉）轉換為電能時具有高效率、連續性和高輸出等特點，極具商業化前景。然而，接觸摩擦會導致摩擦介面熱損失和磨損，從而降低TENG的表面電荷密度，影響其輸出效能。非接觸的懸浮滑移模式TENG具有很高的耐久性和幾乎100%的理論轉換效率（摩擦損失為零），可以輕鬆獲取微小的運動能量，但非接觸模式TENG的感應介質層上預先存在的電荷會快速衰减，導致非常小的輸出。已有相關工作通過電荷補充、接觸與非接觸模式自動切換等方法使非接觸TENG的電荷密度和輸出功率有了明顯的提高，但現時其電輸出要實現應用仍然具有很大的挑戰。囙此，有必要發明一種具有高耐久性和高輸出效能的摩擦納米發電機，實現更廣泛和有效的微能量收集與應用。
為此，在該論文中提出了一種有效避免器件磨損問題且同時提高輸出效能的懸浮滑移式電荷自激勵摩擦納米發電機（FSS-TENG）。通過引入倍壓電路和二極體使動子電極與定子電極之間形成正回饋，實現輸出電荷連續自增以提高輸出。研究者分析了FSS-TENG在工作迴圈中電荷轉移機理，為了獲得最大的輸出電荷密度，從理論和實驗兩方面給出了非接觸式TENG的空氣擊穿模型。通過結構和資料等參數的優化，當轉速為300 rpm時，FSS-TENG的轉移電荷量達到1μC（71.53μC m-2），峰值功率為34.68 mW，分別是不加電荷激勵的懸浮式TENG（F-TENG）的5.46倍和3.88倍。通過使用風杯作為觸發器，FSS-TENG能收集3 m s-1低風速風能為道路警告燈供能，也可以連續驅動一些小型電子設備。這項工作為隨機環境能量的捕獲提供了可靠的策略，實現分佈式能量供應。
該研究得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費的支持。
圖1.（a）FSS-TENG用於風能收集的場景圖。（b）旋轉式FSS-TENG裝置的三維結構示意圖。（c）FSS-TENG簡化工作原理圖。（d）倍壓電路（VMC）的輸入/輸出節點。（e-h）週期性滑動中的電荷自激勵過程。（i）四種工作模式下的動態輸出電荷曲線。
文章連接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25047-y
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