作為一種新興的能量轉換技術，摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator,TENG）能夠將機械能有效轉化為電能，以其結構選樣靈活、材料選擇廣泛、低成本、易於制造等優勢，在能量收集與自驅動傳感領域展示出巨大的套用潛力。TENG基礎理論是指導其進一步發展的基石，嚴謹的理論推導與精確的分析方法為TENG的設計與最佳化提供重要基礎。
自2012年TENG被提出以來，其理論模型與計算方法逐步發展。但是目前TENG的基礎計算理論及理論系統性仍需進一步發展與完善，尤其在更加精確的電荷分布、清晰的電荷轉移過程以及嚴謹的數學推導方面，基於這些能夠推匯出TENG的位移電流與外電路的傳導電流。並且，無限大板與有限大板模型的套用條件與差別未進行對比闡釋，相應的準確有效的理論驗證方法有待研究，且缺少將TENG理論投入套用、解釋實際問題的方法。
近日，清華大學深圳國際研究生院丁文伯副教授的智能感知與機器人（Smart Sensing and Robotics, SSR）課題組及其合作者在TENG基礎理論上取得新進展。該研究從理論模型、分析方法、驗證方法和套用分析等方面對接觸分離式TENG進行了系統的理論分析，首次將TENG接觸起電電荷、介電材料預充電荷與背電極補償電荷同時考慮，提出了更適用於TENG器件的自洽理論模型（圖1）。根據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
在此基礎上，研究人員對TENG的電場分布、電荷轉移過程、外電路傳導電流和內部位移電流進行了推導，為了驗證模型的有效性，提出了「特性預測」方法，TENG的實際特性與品質因數可透過所提理論推匯出來，計算結果與文獻中記錄的實驗結果相一致，這證實了所提理論的有效性，也為復雜的實驗現象提供了理論解釋（圖3）。研究人員透過對有限大板模型與無限大板模型的比較，討論了它們的適用範圍，基於此提出了更加準確的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
隨後，研究人員提出了一種動力學模型，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償電荷，並給出了求解方法，使其具有更廣的適用範圍。最後，團隊基於所提理論對多種TENG實際套用中的現象進行了拓展分析（圖5），為TENG理論指導套用提供了範例。該研究為TENG的發展提供了嚴謹的理論基礎。
圖5.基於TENG的電場通訊分析
相關研究成果以「基於初始電荷分布的接觸分離式摩擦納米發電機理論建模」（Theoretical modeling of contact-separation mode triboelectric nanogenerators from initial charge distribution）為題，發表於【能源與環境科學】（ Energy & Environmental Science ）期刊。
丁文伯為論文的通訊作者，大連海事大學教授徐敏義、中國科學院北京納米能源與納米系統研究所王中林院士為論文的共同通訊作者，清華大學深圳國際研究生院2021級博士生趙洪發、大連海事大學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2022級博士生於洪勇，清華大學深圳國際研究生院2022級博士生徐慶昊、2021級博士生李瀟灑，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所研究員邵佳佳。研究得到國家自然科學基金、深圳市科技計劃專案、廣東省創新創業研究團隊計劃專案、深圳鵬瑞基金會青年教師資助專案的資助。
論文連結：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee04143c
供稿 | 深圳國際研究生院
