受原电池启发的高输出性能和超持久直流摩擦纳米发电机
随着新时代物联网(IoT)和大数据(BD)的快速发展，数以亿计的分布式传感器网络被开发出来，并用于收集和转换周围环境的信息。这些传感器驱动了人们对分布式能源的迫切需求。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的能量转换装置，为收集环境机械能(如振动能、风能、水流能等)并转化为电能提供了一种很有效技术。各种TENG根据其工作机理和输出信号类型大致可分为两类：(1)基于摩擦起电和静电感应的耦合产生交流电(AC-TENG)；(2)基于摩擦起电和空气击穿的耦合产生直流电(DC-TENG)。其中，DC-TENG无需整流电路和储能单元，可直接向电子器件供电。目前，基于空气击穿的DC-TENG通过集成DC-TENG单元已达到较高电荷密度输出。然而，DC-TENG在运行过程中由于缺乏电荷积累过程，其有效电荷密度在很大程度上取决于表面接触力。高的表面接触力，会产生强烈的机械磨损，这是TENG应用于商业中所遇到的瓶颈问题。有趣的是，基于摩擦起电和静电感应的AC-TENG可以不断积累摩擦电荷，即使在较低的表面接触力下，AC-TENG也能产生理想的有效电荷密度。但是由于大多数电子器件都需要直流电源，所以AC-TENG在没有整流电路的情况下无法直接驱动电子器件。值得注意的是，原电池的显著特点是恒定直流输出，其基本工作原理是电解液中两个金属电极之间的金属活性差异，而摩擦起电的基本原理同样是基于不同材料之间的电子亲和力的差异。因此，受原电池工作原理及其直流输出特性的启发，探索一种新型的，实现高耐久性和高输出性能的DC-TENG具有十分重要的意义。

本文亮点
1. 本文设计了一种基于摩擦起电和静电感应的新型PC-TENG结构。PC-TENG产生理想的直流输出，直接驱动小型电子设备，即使是在较低的表面接触力下。

2. 通过新颖的结构设计，PC-TENG在低的表面接触力下实现了小的材料磨损，使其具有高耐久性和高输出性能。

3.旋转结构的设计有助于R-PC-TENG实现高效率的环境机械能收集，如水能、风能。

内容简介
为了实现高耐久性和高输出性能的DC-TENG，近日，重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队和重庆师范大学物理与电子工程学院陈杰讲师受原电池工作原理及其直流输出特性的启发，设计了一种基于接触起电和静电感应的新型原电池结构TENG(PC-TENG)，该结构可以像AC-TENG一样连续积累摩擦电荷。在12 N的低表面接触力下，可以产生理想的直流输出，直接驱动小型电子器件im电竞。本文制备了一种垂直-接触分离式CS-PC-TENG和独立层式FS-PC-TENG，并系统地分析了各工作周期内电荷转移的理论机理和影响因素。同时本文设计了直径为180 mm的旋转式R-PC-TENG，其最大有效电荷密度达到1.02 mC m⁻²im电竞。PC-TENG具有卓越的耐久性，在10万次工作循环后仍然可以保持99%的初始输出。此外，PC-TENG被用于为各种商用电容器快速充电，并驱动944个串联的绿色发光二极管(LED)达到高亮度。同时，R-PC-TENG还被用于通过收集风能为一个商业红外发射器模块和四个并联的温-湿度计供电。这项工作为在较低的表面接触力下提高DC-TENG的电力输出性能提供了一种简单而理想的方案，并展现了为物联网收集环境能量的巨大潜力。