振蕩電路輔助的納米摩擦發(fā)電機(jī)電源管理方法

近日，清華大學(xué)微納電子系王曉紅教授課題組與美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授課題組在《先進(jìn)能源材料》雜志（Advanced Energy Materials，影響因子：24.88）上線發(fā)表了題為“通過電路振蕩以實(shí)現(xiàn)納米摩擦發(fā)電機(jī)的性能提升”（“Boost the Performance of Triboelectric Nanogenerators through Circuit Oscillation”）的合作論文，首次提出一種通過自由電荷極性翻轉(zhuǎn)提升電極等效電荷面密度的電源管理方法，進(jìn)而突破了長(zhǎng)期以來(lái)摩擦納米發(fā)電機(jī)單周期內(nèi)最大輸出的限制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴設(shè)備的普及，如何為這些分布式器件進(jìn)行持續(xù)供能成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。通過能量收集器來(lái)獲取自然環(huán)境中的能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自供電，是近些年來(lái)興起的一類綠色、低成本以及可持續(xù)的解決方案。摩擦納米發(fā)電機(jī)自2012年被提出以來(lái)受到廣泛關(guān)注，主要因?yàn)槠湓谧匀画h(huán)境中能量最為充沛的低頻段具有最高的能量收集效率。然而，受限制于摩擦極化電荷面密度、摩擦層本征電容以及匹配阻抗的影響，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出仍然不足以滿足當(dāng)前器件的供電需求，這也是其進(jìn)一步普及與商業(yè)化的主要障礙。

2015年，研究人員類比于熱力學(xué)中的卡諾循環(huán)，提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論單周期輸出極限及其實(shí)現(xiàn)方式（Cycles for Maximum Energy Output, CMEO）。此次，微納電子系王曉紅教授課題組與美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授課題組合作，提出了一種新型電荷分布方式以及外部電路實(shí)現(xiàn)方法，通過理論和仿真驗(yàn)證了其對(duì)于原CMEO極限的突破，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究者指出，此種電源管理方法不僅在任意負(fù)載下都能突破原有輸出極限，且尤為適用于小型電子設(shè)備的低輸入阻抗情形。

王曉紅與王中林為該論文共同通訊作者，微納電子系博士生徐思行與佐治亞理工學(xué)院博士后研究員丁文伯、郭恒宇為共同第一作者。長(zhǎng)期以來(lái)，王曉紅研究團(tuán)隊(duì)致力于微型能源系統(tǒng)的研究，包括能量轉(zhuǎn)換、能量?jī)?chǔ)存與電源管理等各方面，近年來(lái)在這幾個(gè)方面均取得了突破，相關(guān)工作相繼發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）、《納米能源》（Nano Energy）、《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）等高水平期刊。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。