摩擦电荷三维存储及隐形微纳结构构建

Triboelectric nanogenerator (TENG), as a composite of the ancient triboelectric phenomenon and the modern nanotechnology, could effectively convert the weak and mild mechanical energy from the ambient environment into electricity, which has put forward a new study direction for developing the portable energy. Due to its simple principle and structure, TENG has a strong universality and could work in a variety of environments. And now the restrictive factor for TENG’s further development is the insufficient output power and imperfect theoretical model. This project will study the generation, transport, storage and decay mechanism for the frictional charge in the friction layer. And based on it, a new frictional layer with high capability of capturing and storing frictional charges will be prepared. In addition, this project will also develop a multilayered invisible nano-micro structure for the friction layer in the TENG. This new structure can be expected to solve the abrasion problem of surface micro structure while also improving improve the output performance for TENG. This project is conducive to the further understanding of triboelectric phenomenon, enriching the theory system for TENG, preparing high performance TENG device, and pushing forward the practical process of TENG, which is very meaningful to the development of the new power sources.

摩擦发电机是古老的摩擦起电现象与最新的纳米技术相结合的产物，它可以有效地将环境中微弱的机械能转换成电能，为便携能源的发展提出了一个新的发展方向。摩擦发电机的原理简单，结构巧妙，具备极强的可移植性，适合在各种不同的环境中工作。目前限制摩擦发电机发展的两个主要问题是其较低的输出功率和不完善的理论模型。为此，本项目拟以研究摩擦电荷在摩擦层中的产生、传输、存储与衰减机制为起点，通过理论结合实践的途径，探索制备具有高摩擦电荷捕获能力和存储能力发电机摩擦层的方法，实现对摩擦电荷的三维空间存储。同时，本项目还将开展研究应用于发电机摩擦层的多层隐形微纳结构，该结构预期在极大提高摩擦电荷体密度的同时还将解决摩擦层表面微纳结构易磨损问题。项目的开展有利于进一步完善摩擦发电机的理论体系与制备高输出性能摩擦发电机，将会有力地推动摩擦发电机从研究走向实用的进程，对新型电源的发展具有重要的科学意义和实际应用价值。

本研究从研究摩擦电荷的产生、传输、存储与衰减四个过程出发，深入分析了摩擦层材料的载流子浓度与迁移率变化对摩擦层对摩擦电荷承载能力的影响，建立了理论模型。并通过理论结果的指导，设计了包含电荷掠夺层、电荷传导层、电荷驻留层在内的三位一体复合摩擦层结构。该设计的主要思想是利用更容易得失摩擦电荷的材料作为电荷掠夺层，放置于复合摩擦层的表层，用于加快摩擦电荷的分离速率；利用载流子浓度与迁移率更低的材料作为电荷驻留层，用于阻挡摩擦电荷流失；利用导电层调整摩擦电荷在摩擦层中的分布方式，间接增加摩擦电荷的分离与注入速率。这种多功能的复合摩擦层结构对正极与负极摩擦层都有很好的增强效果。实验中采用的PVDF-导电层-PS结构的负极复合摩擦层结构相对于单纯的PVDF结构，其电荷承载量提升了11.2倍；但正极摩擦层同时采用PVA-导电层-PS结构时，复合摩擦层的电荷承载量提升了16倍，达到16.6 nC/cm2。.研究后期，我们通过构建多界面复合摩擦层结构，利用摩擦层中的界面势垒进一步降低了摩擦电荷的流失速率，使得摩擦层的电荷承载量的到了进一步的提升，目前的摩擦电荷承载量达到了40 nC/cm2。值得一提的是，本研究采用的增强方案是一种调控内在机制实现的摩擦发电机性能提升，所以理论上可应用于任何结构的摩擦发电机。经过改进的摩擦发电机可以更高效、更可控、更方便管理地收集利用环境中的机械能。可用于为低功耗电子设备供能，并针对设备对电能的不同需求特征，调整摩擦发电机的输出方案。本项目将摩擦发电机的摩擦层电荷承载量提升至40 nC/cm2，已达到相关领域国际较高水平。