走路即可供电，摩擦纳米发电机研究突破或带动新时代能源变革( 四 )

【走路即可供电，摩擦纳米发电机研究突破或带动新时代能源变革】图丨微结构改造后的结构设计（来源：王杰，络绎知图整理）
为了验证经过微结构改造后的DC-TENG性能，王杰团队做了50个结构单元来测试其电荷密度，实验结果如下图，电荷密度值达到了5.4mC/㎡，比之前的数值提高了很多。

图丨TENG微结构改造后的电荷密度记录（来源：王杰，络绎知图整理）
此外，实验还显示单位面积输出的电荷密度与结构因子(K)呈线性关系，电荷密度会随K增大而线性增加。

图丨结构因子K与输出性能关系（来源：王杰，络绎知图整理）
通过之前的研究， TENG的电荷密度从1000μC/㎡达到了最高的2400μC/㎡。而DC-TENG ，不仅可以恒定地输出、直接驱动电池器件，还超过了以前的交流TENG的电荷密度。
综合以上的研究， DC-TENG的限制因素总共有三个：摩擦起电；摩擦起电过程中电荷参与量；结构因子。
（2）DC-TENG的材料选择优化
由于直流发电机的原理不同于交流发电机，王杰团队重新审视了此前所用的材料并考虑优化。
实验发现，铜和PTFE材料对并非最优。基于DC-TENG原理，王杰团队提出DC-TENG中理想摩擦材料需要具备较小的摩擦系数、低的极化强度、高的表面电荷密度的特性。
根据这三个特性要求，通过实验，发现最好的材料是PVC ，其次是PTFE 。在相同条件下，使用PVC材料时，电荷密度超过了8mC/㎡。

图丨新材料的电荷密度（来源：王杰，络绎知图整理）
4.双模式AC/DC-TENG可收集更多能量
DC-TENG的研究取得一定成绩后，王杰团队思考可否将直流摩擦纳米发电机和传统的交流摩擦纳米发电机的两种效应同时利用起来，提高能量输出，从而更有效地驱动电子器件。王杰团队在传统的TENG上再加一个电极来收集电荷，同时收集两种能量。

图丨双模式AC/DC-TENG工作原理（来源：王杰，络绎知图整理）
这种双模式的发电机，交直流输出相互独立，可以作为研究摩擦起电、静电感应和静电击穿的一种很好的工具，在研究其他效应的时起到了重要作用。
5.介质增强效应有效提高TENG性能
摩擦起电的总量增加了，静电感应和静电击穿就会增强，那么如何增加摩擦起电的总量？
之前的研究重点在电极材料的改进，如选用最容易失去电子的金属和最容易得到电子的介质层材料。后经研究发现，在原先的金属和介质层中间的摩擦界面再加一种比金属更容易失去电子的材料，如聚合物丁腈，能使输出性能提升一个台阶。

图丨介质增强TENG的应用（来源：王杰，络绎知图整理）
介质增强效应具有普适性，既可以使传统的四种模式的TENG的性能得到提升，也使DC-TENG的输出性能得到提升。

图丨介质增强TENG的普适性（来源：王杰，络绎知图整理）
(二）提高TENG的寿命的几种方法
TENG的优势很多，但不可避免地，也有短板。 TENG的寿命成为它投入应用前的关键难题之一。为了解决这个问题，王杰团队想到了三个改进方法。