王杰研究员课题组Adv. Energy Mater.新作的思路剖析：超高电压（~10 kV）的单电极模式摩擦纳米发电机

▲第一作者：刘佳琪，周灵琳，高毅奎      
通讯作者：王杰         通讯单位：北京纳米能源与系统研究所论文DOI：10.1002/aenm.202300410        
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全文速览

近期，中科院北京纳米能源与系统研究所王杰研究员团队基于摩擦纳米发电机的电容模型，提出了一种通过增加电荷密度和电极间距提高单电极模式摩擦纳米发电机（SE-TENG）开路电压的策略，最终将单电极摩擦纳米发电机的开路电压提高至一个新的记录值（12.7 kV）。同时，课题组提出一种新的开路电压测量方法，即电容分压法。该方法能准确测量超过10 kV的超高电压,解决了超高压摩擦纳米发电机的开路电压测量难题。
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研究背景

高压电源可产生几千伏的超高输出，已广泛应用于科学、环保、工业和农业等多个领域。传统的高压电源一般来自化石燃料，需要通过复杂的能量转换过程，存在环境污染和携带复杂的问题。此外，由于大电流伴随高电压，可能会产生严重的安全问题。这些都在一定程度上阻碍了传统高压电源的应用。因此，研究一种可持续发展、操作简便、安全的新型高压电源迫在眉睫。
由于具有高内阻的内在特点，TENG可以很容易地产生高达千伏的高电压。此外，TENG还具有小电流的特性，极大地保证了人员和仪器的安全。基于TENG的高压电源具有便携、可控、安全、高效等优点，已被应用于质谱分析、电纺纳米纤维的制备、等离子体的产生、空气负离子的产生和制备等领域。然而，这些高压电源都是基于TENG的工作类型实现的，包括接触分离模式、滑动模式和独立层模式，然而这几种模式的应用会受到布线问题的限制。因此，由于SE-TENG布线简单，开发基于SE-TENG的高压电源，进一步简化高压电源系统对于推动新型高压源的应用具有重大研究价值。
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研究出发点

基于以上研究现状和面临的问题，王杰研究员课题组设想能否提高SE-TENG的电压，在简化布线的同时得到超高电压输出？根据TENG的电容模型，将TENG看作平行板电容器，这样发现在电压与电容器之间的电场强度E和电极之间介质层厚度t成正比，因此，通过提高这两个参量可以将TENG的输出电压提高至上万伏。通过实验验证，使用PTFE膜将表面电荷密度提高至163 μC m^-2时，作者将电极之间介质层（亚克力）厚度提高至2.6 mm后，首次将SE-TENG提高至12.7 kV。
这项工作打破了人们对SE-TENG输出低的固有看法。最终实结果发表在Adv. Energy Mater.上（Adv. Energy Mater. 2023, 2300410），共同第一作者为刘佳琪同学、周灵琳助理研究员和高毅奎同学，通讯作者为王杰研究员。
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图文解析


▲图一，提高SE-TENG电压原理。
为了研究SE-TENG的电容模型，SE-TENG分为两个电极，其中接地电极为参考电极，另一个为主电极，根据平行板电容器模型，输出电压与E和t有关，因此可以通过分别提高电荷密度和厚度的方法提高输出电压。
▲图二，不同电荷密度和厚度的模拟电压。
为了验证猜想，首先进行了有限元模拟，分别提高电荷密度和厚度，发现电压与这两个参量成正比，并且可以达到10 kV以上的输出。之后可以进行实验验证。
▲图三，电压测量方法。
在将提高厚度的过程中，遇到了两个问题：1）TENG的固有电容小于测量仪器的电容，导致测量结果不准确。2）普通的测量仪器量程不够。为了解决这两个问题，作者提出了一个电容分压的方法，在两个电极（e₁和e₃）中间插入一个测量电极e₂，这样TENG的电容可以看成两个大电容的串联，通过控制e₁与e₂之间的厚度就可以调控电极之间的电容（C₁₂），这样测得的C₁₂两端之间的电压可以避免上述两个问题，测出准确的V₁₂。再通过输出电压V_OC与V₁₂的关系就可以计算出输出电压。经过验证，这种测量方法的误差<10%。
▲图四：不同厚度对应的电压输出。
在能够测量到准确电压之后，作者进行了实验验证，分别测量了不同厚度对应的电荷、电流和电压输出，发现厚度的改变不不会影响电荷与电流的输出，而电压输出则与厚度成正比。在163 μC m^-2的电荷密度和2.6 mm的厚度下，得到了12.7 kV的电压输出。
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总结与展望

作者首先进行理论分析，发现增加电荷密度和增加电极之间填充层的厚度是提高电压输出的两种可行策略，可为进一步优化摩擦纳米发电机的输出性能提供指导。当单电极模式摩擦纳米发电机的厚度和电荷密度分别增加到2.6 mm和163 μC m^-2时，其开路电压达到了单电极模式摩擦纳米发电机的最高记录值12.7 kV。此外，在测量电压过程中为了将电压测量准确便提出了一种电容分压的方法，这种方法具有测量范围宽（>10kV）、误差小（<10%）的优点。这项工作提出了一种提高单电极模式摩擦纳米发电机电压的策略，该策略也适用于其他工作模式的摩擦纳米发电机，并为测量高V_OC提供了一种方法。
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心得与体会

在实验过程中，尤其是性能提升的实验中，经过理论和模拟的验证后做实验会有一个心里预期的确定值，这种验证实验要求严谨，而如果在这里过分的钻牛角尖会影响实验进度，因为周围环境对实验结果也是有影响的，所以在做验证实验的时候在测量条件尽可能的保持和模拟条件的一致，在结果上还是要给自己设置一个小的误差范围，这样才能在科学研究的基础上保持较好的心态。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202300410
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