研究背景
- 作为一种新兴的能量转换技术，摩擦纳米发电机（TENG）能够将机械能有效转化为电能，以其结构选样灵活、材料选择广泛、低成本、易于制造等优势，在能量收集与自驱动传感领域展示出巨大的应用潜力。TENG基础理论是指导其进一步发展的基石，严谨的理论推导与精确的分析方法为TENG的设计与优化提供重要基础。自2012年TENG被提出以来，其理论模型与计算方法逐步发展。但是目前TENG的基础计算理论，及理论系统性仍需进一步发展与完善，尤其在更加精确的电荷分布、清晰的电荷转移过程以及严谨的数学推导方面，基于这些能够推导出TENG的位移电流与外电路的传导电流。并且，无限大板与有限大板模型的应用条件与差别未进行对比阐释，相应的准确有效的理论验证方法有待研究，且缺少将TENG理论投入应用、解释实际问题的方法。
文章概述
近日，清华大学深圳国际研究生院丁文伯副教授的智能感知与机器人(Smart Sensing and Robotics, SSR)课题组在TENG基础理论上取得新进展。该研究从理论模型、分析方法、验证方法和应用分析等方面对接触分离式TENG进行了系统的理论分析。首次将TENG接触起电电荷、介电材料预充电荷与背电极补偿电荷同时考虑，提出了更适用于TENG器件的自洽理论模型。根据电荷守恒与静电平衡的基本物理原理，求解了TENG在开路与通路情况下，TENG的初始电荷分布及所有电荷的再分布。在此基础上，对TENG的电场分布、电荷转移过程、外电路传导电流和内部位移电流进行了推导。为了验证模型的有效性，提出了“特性预测”方法，TENG的实际特性与品质因数可通过所提理论推导出来，计算结果与文献中记录的实验结果相一致，这证实了所提理论的有效性，也为复杂的实验现象提供了理论解释。通过对有限大板模型与无限大板模型的比较，讨论了它们的适用范围，基于此提出了更加准确的TENG工作原理示意图。随后提出了一种动力学模型，同时考虑了介电材料上的体电荷、面电荷、电偶极子与背电极的补偿电荷，并给出了求解方法，使其具有更广的适用范围。最后，基于所提理论对多种TENG实际应用中的现象进行了拓展分析，为TENG理论指导应用提供了范例。本研究为TENG的发展提供了严谨的理论基础。
该成果以“Theoretical modeling of contact-separation mode triboelectric nanogenerators from initial charge distribution为题，在期刊Energy & Environmental Science上发表。清华大学深圳国际研究生院丁文伯副教授，大连海事大学徐敏义教授，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士为共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2021级博士研究生赵洪发，大连海事大学副教授王昊为共同第一作者。
图文导读
图1. 接触分离式TENG示意图
图2 接触分离式TENG理论框架
图3 TENG基础模型的电荷与电场分布
图4.接触分离式TENG一般化模型建模与仿真
图5 TENG理论验证方法
图6 接触分离式TENG与单电极式TENG特性分析
图7.接触分离式TENG工作原理示意图与仿真
图8 有限大板模型分析
图9 一般化有限大板模型分析
图10预充电荷作用分析
图11 基于TENG的电场通信分析
结论
- 本研究对接触分离式TENG进行了系统的理论分析和数学推导。描述TENG电荷密度的多个变量通常包括初始电荷密度和诱导电荷密度。基于初始源电荷可以将多个变量统一为更少的变量，这必然且充分地决定了接触分离式TENG的电场。利用这些基本变量，该研究创建了接触分离式TENG的电场模型，并提出了令人信服的验证方法，该模型精确地解决了接触分离式TENG在运动或变形下的电荷转移问题。因此，该研究可以为TENG提供严谨、可扩展应用的理论基础。
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