小鸭看看

随着物联网与分布式传感网络的迅猛发展，如何为海量低功耗传感器提供持续、清洁的能源供给，已成为亟待解决的关键问题。摩擦纳米发电机（TENG）凭借轻量、低成本、低频高效等优势，被视为构建自驱动系统的理想能量采集方案。其中，滑动模式TENG（包括滑动式S-TENG与独立层式FS-TENG）通过滑动摩擦起电实现连续输出响应，在持续供电方面展现出独特潜力。然而，滑动模式TENG在实际应用中长期面临三大核心瓶颈：其一，摩擦界面处电荷积累引发的局部电场增强易导致空气击穿，限制表面电荷的进一步累积；其二，电荷在传输过程中的无效迁移与泄漏造成电荷传输效率低下；其三，器件运行过程中不等量的电荷转移导致输出电流波形失真，降低了输出的稳定性与持续性。上述缺陷严重制约了其作为稳定电源的实际应用能力。

针对上述挑战，本文提出了一种半电极缺失与非对称排布设计结合屏蔽电极（HAS）策略。该设计将HAS-TENG等效为四个滑动模式TENG单元的混合模型—两个S-TENG与两个FS-TENG，并集成两个屏蔽电极。通过优化电极的空间排列与电荷传输路径，HAS-TENG能够在介电层表面实现摩擦电荷的全面、均匀积累，同时实现电荷的无损输运并有效抑制因非对称电极配置引起的电流信号失真。本文进一步建立了HAS-TENG的等效电路模型，对其动态电荷传输与积累机制进行了系统分析，揭示了电荷逐周期累积并最终达到饱和的物理过程。实验结果表明，在同等尺寸条件下，HAS-TENG的输出均方根电流达到3.86 μA，分别为传统FS-TENG和电荷空间策略（CSA-TENG）的3.3倍和2.2倍，且输出电流波形对称、稳定，无明显失真。基于该策略，本文进一步将滑动模式拓展至转动模式，设计并制备了旋转式HAS-TENG。在60 rpm转速下，该器件实现了3.50 μC的转移电荷与94.5 μA的均方根电流，平均功率输出达53.94 mW。得益于该策略所提供的持续电荷补充效应，器件在100000次工作循环后仍保持稳定输出，摩擦界面结构完整，未出现明显性能衰减。进一步的，将旋转式HAS-TENG与电源管理模块集成后，可成功驱动50个商用温湿度计或12个3 W的白炽灯列，甚至可以为一部手机稳定供电，验证了其在真实场景中的能量采集与供电能力。该工作为滑动模式TENG的电极结构设计提供了新思路，对推动其走向实用化具有重要意义。

该论文以"Half-Electrode Absence and Asymmetric Arrangement Design Integrated With Shielding Electrodes for Boosting Sliding Triboelectric Nanogenerator Performance"为题，发表于国际著名期刊《Advanced Energy Materials》（IF=25.5），小鸭看看 为第一通讯单位。

论文作者：段佳奇（硕）、李贵（助理教授，通讯作者）、程欣悦（硕）、兆佳淏然（硕）、李嘉伟（博）、唐卫（博）、李玲（博）、熊生洋（博）、万玲玉（教授）、刘官林（副教授，通讯作者）、胡陈果（重庆大学教授，通讯作者）

论文链接：//doi.org/10.1002/aenm.71476