振荡电路辅助的纳米摩擦发电机电源管理方法

近日，清华大学微纳电子系王晓红教授课题组与美国佐治亚理工学院王中林教授课题组在《先进能源材料》杂志（Advanced Energy Materials，影响因子：24.88）上线发表了题为“通过电路振荡以实现纳米摩擦发电机的性能提升”（“Boost the Performance of Triboelectric Nanogenerators through Circuit Oscillation”）的合作论文，首次提出一种通过自由电荷极性翻转提升电极等效电荷面密度的电源管理方法，进而突破了长期以来摩擦纳米发电机单周期内最大输出的限制。

随着物联网与可穿戴设备的普及，如何为这些分布式器件进行持续供能成为当今研究的热点。通过能量收集器来获取自然环境中的能量，进而实现设备的自供电，是近些年来兴起的一类绿色、低成本以及可持续的解决方案。摩擦纳米发电机自2012年被提出以来受到广泛关注，主要因为其在自然环境中能量最为充沛的低频段具有最高的能量收集效率。然而，受限制于摩擦极化电荷面密度、摩擦层本征电容以及匹配阻抗的影响，摩擦纳米发电机的输出仍然不足以满足当前器件的供电需求，这也是其进一步普及与商业化的主要障碍。

2015年，研究人员类比于热力学中的卡诺循环，提出了摩擦纳米发电机的理论单周期输出极限及其实现方式（Cycles for Maximum Energy Output, CMEO）。此次，微纳电子系王晓红教授课题组与美国佐治亚理工学院王中林教授课题组合作，提出了一种新型电荷分布方式以及外部电路实现方法，通过理论和仿真验证了其对于原CMEO极限的突破，并通过实验进行了验证。研究者指出，此种电源管理方法不仅在任意负载下都能突破原有输出极限，且尤为适用于小型电子设备的低输入阻抗情形。

王晓红与王中林为该论文共同通讯作者，微纳电子系博士生徐思行与佐治亚理工学院博士后研究员丁文伯、郭恒宇为共同第一作者。长期以来，王晓红研究团队致力于微型能源系统的研究，包括能量转换、能量储存与电源管理等各方面，近年来在这几个方面均取得了突破，相关工作相继发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）、《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）、《纳米能源》（Nano Energy）、《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）等高水平期刊。该研究成果得到了国家自然科学基金和国家基础研究计划等项目的支持。