清華新聞網(wǎng)3月8日電 作為一種新興的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator,TENG）能夠?qū)C(jī)械能有效轉(zhuǎn)化為電能，以其結(jié)構(gòu)選樣靈活、材料選擇廣泛、低成本、易于制造等優(yōu)勢，在能量收集與自驅(qū)動傳感領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。TENG基礎(chǔ)理論是指導(dǎo)其進(jìn)一步發(fā)展的基石，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)與精確的分析方法為TENG的設(shè)計與優(yōu)化提供重要基礎(chǔ)。自2012年TENG被提出以來，其理論模型與計算方法逐步發(fā)展。但是目前TENG的基礎(chǔ)計算理論及理論系統(tǒng)性仍需進(jìn)一步發(fā)展與完善，尤其在更加精確的電荷分布、清晰的電荷轉(zhuǎn)移過程以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)方面，基于這些能夠推導(dǎo)出TENG的位移電流與外電路的傳導(dǎo)電流。并且，無限大板與有限大板模型的應(yīng)用條件與差別未進(jìn)行對比闡釋，相應(yīng)的準(zhǔn)確有效的理論驗證方法有待研究，且缺少將TENG理論投入應(yīng)用、解釋實際問題的方法。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院丁文伯副教授的智能感知與機(jī)器人（Smart Sensing and Robotics, SSR）課題組及其合作者在TENG基礎(chǔ)理論上取得新進(jìn)展。該研究從理論模型、分析方法、驗證方法和應(yīng)用分析等方面對接觸分離式TENG進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，首次將TENG接觸起電電荷、介電材料預(yù)充電荷與背電極補(bǔ)償電荷同時考慮，提出了更適用于TENG器件的自洽理論模型（圖1）。根據(jù)電荷守恒與靜電平衡的基本物理原理，求解了TENG在開路與通路情況下，TENG的初始電荷分布及所有電荷的再分布（圖2）。
圖1. 接觸分離式TENG示意圖
圖2.接觸分離式TENG一般化模型建模與仿真
在此基礎(chǔ)上，研究人員對TENG的電場分布、電荷轉(zhuǎn)移過程、外電路傳導(dǎo)電流和內(nèi)部位移電流進(jìn)行了推導(dǎo)，為了驗證模型的有效性，提出了“特性預(yù)測”方法，TENG的實際特性與品質(zhì)因數(shù)可通過所提理論推導(dǎo)出來，計算結(jié)果與文獻(xiàn)中記錄的實驗結(jié)果相一致，這證實了所提理論的有效性，也為復(fù)雜的實驗現(xiàn)象提供了理論解釋（圖3）。研究人員通過對有限大板模型與無限大板模型的比較，討論了它們的適用范圍，基于此提出了更加準(zhǔn)確的TENG工作原理示意圖（圖4）。
圖3.接觸分離式TENG與單電極式TENG特性分析
圖4.接觸分離式TENG工作原理示意圖與仿真
隨后，研究人員提出了一種動力學(xué)模型，同時考慮了介電材料上的體電荷、面電荷、電偶極子與背電極的補(bǔ)償電荷，并給出了求解方法，使其具有更廣的適用范圍。最后，團(tuán)隊基于所提理論對多種TENG實際應(yīng)用中的現(xiàn)象進(jìn)行了拓展分析（圖5），為TENG理論指導(dǎo)應(yīng)用提供了范例。該研究為TENG的發(fā)展提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)。
圖5.基于TENG的電場通信分析
相關(guān)研究成果以“基于初始電荷分布的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)理論建模”（Theoretical modeling of contact-separation mode triboelectric nanogenerators from initial charge distribution）為題，發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）期刊。
丁文伯為論文的通訊作者，大連海事大學(xué)教授徐敏義、中國科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所王中林院士為論文的共同通訊作者，清華大學(xué)深圳國際研究生院2021級博士生趙洪發(fā)、大連海事大學(xué)副教授王昊為論文共同第一作者。論文作者還包括大連海事大學(xué)2022級博士生于洪勇，清華大學(xué)深圳國際研究生院2022級博士生徐慶昊、2021級博士生李瀟灑，中國科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所研究員邵佳佳。研究得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃項目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)研究團(tuán)隊計劃項目、深圳鵬瑞基金會青年教師資助項目的資助。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee04143c
供稿：深圳國際研究生院
題圖設(shè)計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
