基于帕邢定律建立了电荷激励TENG的空气击穿模型学术资讯

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原标题：通过量化接触状态和建立电荷激励下的空气击穿模型来最大化摩擦纳米发电机的输出电荷密度

随着便携式、可穿戴设备和物联网的快速发展，大量的工作致力于发展可持续、分散式能源。与此同时，与人类活动有关的环境机械能量为能量收集提供了一个理想的能量源。对比传统的电磁发电机，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators , TENG)由于其质量轻、成本低和高效收集低频能量的优点在收集环境机械能量方面展现了巨大的潜力。然而TENG的输出功率和能量与其电荷密度的平方成正比，目前低的电荷密度严重限制了TENG的进一步发展。
近日，重庆大学物理学院胡陈果教授和郭恒宇教授作为共同通讯作者在Nature Communications 上发表研究论文，基于帕邢定律建立了电荷激励TENG的空气击穿模型（图1），通过多参数调整优化，包括减小电介质厚度、增加外部电容器，控制大气环境等方面，实现了高空气击穿上限（图2）。同时通过定量分析摩擦界面的接触效率，为得到最优化的接触结构提供了一个判断依据。依据上述理论，研究者发明了一种柔性碳凝胶电极，可以将4 μm的介电薄膜接触效率从6.16％提高到54.98％。使用这种柔性碳凝胶电极和4 μm的PEI介电薄膜，在相对湿度为5%的空气环境中，电荷激励TENG实现了2.38 mC m-2的高输出电荷密度（图3），推动了TENG的进一步发展。

图1. 工作机理和最大的电荷密度

图2. 影响输出电荷密度的重要因素

图3. 具有优化材料和结构的激励电荷TENG的电学输出

图4. 高输出电荷激励TENG的应用
这一成果近日发表在Nature Communications 上，文章的第一作者为重庆大学物理学院硕士生刘怡珂和博士生刘文林。

原文：Quantifying contact status and the air-breakdown model of charge-excitation triboelectric nanogenerators to maximize charge densityYike Liu, Wenlin Liu, Zhao Wang, Wencong He, Qian Tang, Yi Xi, Xue Wang, Hengyu Guo，Chenguo HuNat. Commun., 2020, 11, 1599, DOI: 10.1038/s41467-020-15368-9

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