中国能源网 | 近日，兰州大学物理科学与技术学院秦勇教授研究组在摩擦纳米发电机领域取得重要突破，改良后的摩擦纳米发电机不仅电荷密度增大，电荷积累速度也明显提高。该研究成果在学术刊物Nature子刊《Nature Communications》上发表。

　　便携式电子设备，可植入设备和无线传感器网络的发展将依赖使用寿命长且可再生的能源。由于成本低，性能好，易于制造，摩擦纳米发电机有望成为这些小型装置和网络的电力来源。

　　在实际应用中，摩擦电纳米发电机所产生的能量通常存储在电容器或电池中，而储能速度主要取决于发电机的工作频率和转移电荷量。由于摩擦电纳米发电机的动力源是环境随机能源，环境中产生的振动频率通常是固定的且不能被人为控制，所以无法通过增加发电机的工作频率来提高能量存储速度。在一定体积内，转移电荷量与电荷密度呈正比。因此，必须通过提高电荷密度提高发电机的存储速度，这也是提高其输出电压、电流、功率等重要性能的根本方法。

　　在此之前，研究人员通过改良材料，引入粗糙表面或人为注入电荷等方式在改善摩擦纳米发电机的电荷密度上已经取得一些进展。然而，当电荷密度达到极高值时，产生的高电场将引起空气击穿，使得在空气环境中工作的摩擦纳米发电机的最大电荷密度被限制在约250μCm-2。为了避免空气击穿的限制，将摩擦纳米发电机放置于高真空环境中可以将电荷密度增加至最高值1003μCm-212。 虽然这种新方法在提高电荷密度方面具有明显优势，但在实际应用时打造高真空环境的可操作性较低。因此，仍需探索和开发一种新技术，使摩擦纳米发电机在高电荷密度的自然空气环境中也能正常操作。

　　除了电荷密度的限制外，还存在另一个影响摩擦纳米发电机性能的问题。当发电机停止工作时，摩擦电荷密度会受到水蒸气和空气中存在的带电粒子影响而缓慢衰减。因此，如果摩擦纳米发电机在停止工作一段时间后重新启动，此时的输出功率将远低于连续运行时的输出功率。但为振动监测和某些主动式传感器供电时，发电机需要一次只工作几秒钟，然后待机数小时或更长时间，这就需要摩擦纳米发电机具备快速充电以及从启动时就保持高输出功率的性能。

　　秦勇教授带领由成立博士、徐奇博士、郑有斌博士和博士研究生贾晓峰组成的研究小组利用电容器的储电能力，在提高电荷密度的同时，有效避免了高电场强度下空气击穿的问题，将摩擦纳米发电机的电荷密度提高到490 μCm-2，这一数值是目前可工作于空气环境中的摩擦纳米发电机的最高电荷密度的两倍。研究还发现，通过把一对含聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜和绝缘电极的装置连接在一起，制造出多分子层的摩擦纳米发电机将进一步提高输出电荷量。

　　此外，研究小组发现，由于电容器在外部电压下可以承受大量的电荷，并且平面并联电容器具有与摩擦层类似的结构，因此设计出具有内部平面并联电容器结构（PPCS）的摩擦发电机，从而大大提高了输出性能，使其在启动时的输出电荷积累速度提高了4.8倍，这一成果在应用于间歇工作模式时会展现出显著优势。这种简单且高效的技术，不仅能在普通空气环境中提高摩擦纳米发电机的性能，也有可能提高其他类型摩擦纳米发电机在滑动和旋转等模式下工作时的有效电荷密度和电荷积累速度。

　　秦勇教授及其研究团队的研究成果为提高摩擦纳米发电机性能提供了一种新的思路，对未来摩擦纳米发电机的应用将产生重要的影响。