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( 二 ) 随着通讯、互联网等技术的发

三、TENG的研究：限制因素和改进方法
（一）如何提高TENG的能量
1.提高电荷密度的两个关键瓶颈
此前，王杰团队做出了可穿戴的TENG ，但这种可穿戴的TENG可以水洗吗？是柔性的吗？
针对这个问题，王杰团队使用硅胶做介质层，硅胶加碳颗粒，如碳黑、碳纳米管，来作为它的电极，使用硅胶后， TENG就实现了可拉伸、可水洗。而使用硅胶后的TENG也给了他们一个惊喜——它的电荷密度有了明显的提升。

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图丨不同材料下TENG的电荷密度（来源：王杰，络绎知图整理）
一百多年来，有大量针对摩擦起电的研究，但都没有将它作为主要发电器件应用，一个主要原因就是因为它的电荷密度太低。
2014年，王杰刚进入这个研究领域的时候， TENG的电荷密度还只有50μC/㎡；使用纳米结构的电极材料后，它的电荷密度达到了100μC/㎡；考虑到摩擦的重要性，用容易得到电子的聚四氟乙烯(PTFE)做介质层，用当时最好的液态金属与之摩擦，其电荷密度达到了200μC/㎡；而在使用硅胶后，它的电荷密度接近300μC/㎡，得到了显著提升。
改进后的TENG便可以收集人体机械运动产生的能量，实时驱动可穿戴电子器件。比如，将TENG嵌入鞋底，人体通过走路产生的能量就足以驱动电子手表，通过跑步产生的能量就足以驱动一个健康监视器件，且多余的能量还可以存储在电池里，这样即使人体在休息时，也能够给电子器件供电。
电荷密度提升了5倍之后，是否还能不能进一步提升呢？
在改进的过程中，王杰团队遇到了一个瓶颈——空气击穿。摩擦起电中，摩擦电极与介质层摩擦后，会有一个电荷分离的过程，当两者分开后，会产生电压，由于静电的电压非常高，电压很容易达到空气击穿的上限，就产生了空气击穿，从而导致电荷仅从内部转移泄露，而不从外部转移产生电流。

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图丨空气击穿对摩擦起电的制约（来源：王杰，络绎知图整理）
这一现象王杰团队在高真空系统中得到了验证。在空气中的电荷密度也只有100多μC/㎡的TENG器件，在高真空条件下，电荷密度达到了600多μC/㎡，进一步优化后，电荷密度达到了1000μC/㎡，这与几年前相比，电荷密度提升了20倍，功率提升了400倍。

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图丨高真空下的电荷密度（来源：王杰，络绎知图整理）
高真空环境中，电荷密度轻松地超过了600μC/㎡，甚至达到了1000μC/㎡，如果能够突破空气击穿的限制，电荷密度还能更高吗？经过实验，发现在使用相同器件的情况下，电荷密度无法达到更高。经过分析，发现了另一个瓶颈——材料击穿。只要电极分离得足够远，那么电极所带的负电荷就会全部转移，负电荷在介质层的上表面，等量的正电荷在背电体上，介质层就会形成一个“平板电容器” ，将介质材料击穿。
综上， TENG的电荷密度有三个限制因素：摩擦起电、空气击穿和材料的介质击穿。以上的研究工作把TENG的电荷密度提到了新的高度，也为后面的研究指明了方向。
2.电荷激励不仅提高电荷密度，还提高耐湿性
因为选对了材料，摩擦起电不是瓶颈。但如果材料的选择是为了有更高的介质击穿场强，也会受限于摩擦起电。通过研究发现，电荷激励是很好的突破方法。