《Nano Energy》：Turbocharged Triboelectric Nanogenerator via Continuous Charge Pumping for Ultrahigh Power Pulse Generation
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摩擦电纳米发电机通过动态电荷自补偿策略实现双轴旋转结构下的持续电荷积累，显著提升表面电荷密度至1688.3 μC/m2和输出功率74.58 μW，较传统方案提升4387%。该策略创新性地建立单向电荷传输通路，突破表面电荷饱和瓶颈，在低功耗电子供电、自供能传感及强电场应用中展现广泛适用性。
朱星毅|王毅|刘水年|庞亚峰|王中林|滕力
教育部道路与交通工程重点实验室，同济大学，上海200092，中国
摘要
摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种有前景的机械能采集解决方案，其性能常常受到表面电荷密度饱和度的限制。虽然一些电荷激发策略已被证明可以有效提高电荷密度，但大多数现有方法依赖于TENG之间的内部电荷泵送，这种方法受到高阻抗和有限电压输出的制约。本文提出了一种针对旋转式TENG的新型动态电荷自补偿（DSC）策略。
DSC-TENG利用双轴旋转结构，通过静电感应和机械电荷传输持续从地面提取电子，从而建立稳定的电荷传输路径，并使表面电荷在电荷存储层上持续积累。实验结果表明，表面电荷密度达到了1688.3 μC/m2（受仪器测量范围限制的最低值），电荷传输速率为19.52 μC/(m2·s)，峰值输出功率为74.58 μW，相比未经激发的TENG提高了4387%。与电磁发电机（EMG）和TENG泵送策略相比，DSC-TENG的电荷注入效率显著更高，优于以往报道的任何电荷增强方法。这些成果表明，DSC-TENG在为低功耗电子设备供电、实现自供电运动感知以及推动多种静电应用方面具有可行性。总体而言，这项工作提出了一种通用激发策略，从根本上克服了旋转式TENG中的表面电荷饱和瓶颈问题。
引言
近年来，便携式和可穿戴电子设备、物联网以及人工智能的出现极大地改变了现代生活方式，使得对能源的需求达到了前所未有的水平[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。为此，人们越来越倾向于利用周围环境中的可持续绿色能源来补充或替代传统能源[7]、[8]。这一趋势推动了各种能量采集设备的发展，这些设备旨在捕获不同类型的可再生能源[9]、[10]、[11]。其中，摩擦电纳米发电机（TENG）由王团队于2012年首次提出[12]、[13]、[14]，它通过摩擦电效应和静电感应的结合机制，成为将机械能转换为电能的一种极具前景的方法。TENG具有结构简单、输出电压高、生产成本低、材料兼容性强以及在低频环境下能量转换效率高等显著优势，因此受到了广泛的研究关注[15]。TENG已在微/纳米发电、自供电传感系统、蓝色能源采集和高压电源等领域展现出广泛应用[16]、[17]。
尽管取得了这些快速进展，但TENG的实际应用仍受到几个固有挑战的限制，最关键的是其相对较低的输出功率和不足的能量转换效率[18]。由于TENG的输出功率密度与表面电荷密度呈二次方关系[19]，提高电荷密度已成为研究的重点。然而，在传统TENG中，部分积累的电荷会因介质内部的泄漏电流[20]和高电场下的空气击穿[21]（尤其是在潮湿环境中）而丢失，这些损失机制阻碍了界面处电荷的进一步积累，导致固有的饱和限制。为了解决这一瓶颈，人们提出了多种策略：材料优化（例如引入高介电常数的介质或共轭聚合物）[22]、[23]、环境调节（例如气体压力或可控气氛）[24]、[25]以及表面修饰（例如化学功能化或微/纳米结构化）[26]、[27]，这些方法均能有效提高表面电荷密度。同时，离子注入技术[28]可以从外部引入额外电荷。尽管这些方法在某种程度上有效，但它们通常需要复杂的制造工艺、精确的环境控制，或者长期稳定性较差，限制了其可扩展性[29]。2018年，电荷泵送机制的出现为提高电荷密度提供了一种新方法，在接触分离模式的TENG中实现了1020 μC/m2的电荷密度[30]。该策略通过泵送发电机或直接自电荷激发，确保了高且稳定的电荷密度[31]。最初，电荷泵送主要应用于接触分离模式的发电机。鉴于旋转滑动式TENG作为一种高性能设计，更能适应各种形式的机械运动，研究人员将电荷泵送策略扩展到了旋转式TENG，实现了电荷密度九倍的提升[5]。
尽管取得了这些进展，传统的电荷激发方法仍存在结构和电气上的局限性。具体而言，TENG泵送策略依赖于封闭式的内部电荷传输，其最大可实现密度受到泵送-TENG的电容限制和电压饱和度的严重制约[30]、[31]、[32]；而电磁发电机（EMG）泵送策略则受到其低电压输出和严重阻抗不匹配的阻碍，导致电荷注入效率低下和局部泄漏[33]、[34]；此外，依赖外部高压电源会损害系统的自供电特性[28]。
为了解决这些共同的问题，本文提出了一种动态电荷自补偿（DSC）策略，作为一种新的开环模式。与受限于有限内部电源的现有方法不同，DSC机制建立了一条从无限电荷库（地面）持续提取电荷并将其注入电荷存储层的单向传输路径，显著缓解了摩擦电系统中由电荷损失引起的饱和瓶颈。类似于持续向发动机进气口输送压缩空气的涡轮增压器，DSC策略持续向摩擦电界面泵送电荷，使静电场强度超过传统限制。为了验证这一概念，研究人员制造了一种集成DSC策略的旋转式摩擦电纳米发电机（DSC-TENG）。得益于双轴架构和连续的电荷激发，DSC-TENG在电荷注入效率上有了显著提升，实现了比传统激发方案更高的表面电荷密度和输出功率。此外，其多功能性在实际应用中得到了验证，包括直接为低功耗电子设备供电、实时自供电的速度检测以及为环境应用提供强静电场。
结构设计与工作原理
DSC策略的示意图如图1所示。为了明确区分和可视化橡胶输送带内外表面的不同物理作用，图S1提供了详细的横截面示意图（支持信息）。其工作原理如下：(i) 上滚轮的摩擦充电：当橡胶带移动时，其内表面与塑料管发生摩擦接触，从而
结论
总之，本文提出了一种基于从地面单向提取电荷的动态电荷自补偿（DSC）策略，使得旋转式TENG的摩擦界面能够持续积累电荷。这一机制类似于维持发动机性能的涡轮增压器，使DSC-TENG能够克服电荷衰减，持续提高表面电荷密度，并实现电压、电流和功率的显著提升。
主TENG的制造
主TENG的定子和转子均制造在厚度为40 μm的聚酰亚胺（PI）基底上。使用柔性印刷电路（FPC）技术在PI表面上制备了厚度为18 μm的铜电极，随后通过优化表面处理（OSP）提高了导电性和耐久性。电极被设计为中心角度分别为30°和45°的互补扇形阵列。在转子侧还贴覆了一层厚度为50 μm的PTFE薄膜
作者贡献声明
王毅：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析。朱星毅：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、正式分析、概念构思。庞亚峰：监督、实验研究、数据整理。刘水年：撰写——初稿、实验研究、正式分析。滕力：实验研究。王中林：验证、监督。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本文所述工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB2604600）和材料服务安全评估设施启动项目基金（项目编号MSAF-2021-110）的支持。
朱星毅是同济大学的教授，她在浙江大学获得了结构工程博士学位。目前，她担任同济大学交通工程学院的副院长。为了确保新交通基础设施的性能，她致力于“功能性路面和智能路面”的研究。她发表了150多篇学术论文，并被评为全球顶尖2%的学者之一
