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( 三 ) 随着通讯、互联网等技术的发

TENG输出的电荷往外运输后，存储在电容器中，通过电路的自动切换，电荷有一个快速积累的过程。即便使用摩擦起电性能很差的材料，仍能输出更多的电荷，如P(VDF-TrFE)材料,它的电荷密度达到2200μC/㎡。

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图丨高介电常数材料提高表面电荷平衡态上限（来源：王杰，络绎知图整理）
上图所示的公式也指明了进一步优化的方向，一是提高介电常数，二是降低厚度。当然，如果材料太薄，就会有漏电流的问题。
摩擦起电常常受到湿度的影响，冬天的时候我们的衣服容易产生静电，发生火花现象，夏天则很少有静电产生。除了得到高电荷密度和高功率外，运用电荷激励的方法，还可以使TENG在高湿环境下也能得到比较理想的输出性能。

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图丨提升高湿环境中输出性能（来源：王杰，络绎知图整理）
从上图可以看出， TENG在相对湿度为90%的环境下，输出的电荷密度只有在相对湿度为30%时的百分之二点几，使用电荷激励技术后，它还有百分之七十多的电荷密度输出，由此，运用电荷激励还可以克服高湿环境对TENG应用限制。
3.利用空气击穿的DC-TENG及其改进方法
既然有空气击穿和无空气击穿之间的电荷密度差值那么大，为什么不利用空气击穿呢？将空气击穿的电荷量收集起来结果会怎么样？
基于此，王杰团队设计了基于空气击穿的恒流摩擦纳米发电机(DC-TENG) 。其原理是：电极（如金属铜）与介质层（如PTFE）进行摩擦，因为它们的电负性不同，这两种材料在摩擦或接触后，金属铜就会把电子转移给PTFE ，当铜电极滑开后，由于PTFE是驻极材料，它表面的负电荷就会保持一段时间，但这些负电荷缺少相应的正电荷来屏蔽，就会产生一个较高的电场，电场则会击穿空气。如果在介质层上放一个电荷收集电极，就可以收集击穿空气的电能，达到收集空气击穿能量的目的。

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图丨DC-TENG工作原理（来源：王杰，络绎知图整理）
DC-TENG利用的是摩擦起电和空气击穿，它的原理和传统发电机利用摩擦起电和静电感应的原理不同，其基本原理类似人工产生和收集“闪电”的原理。旋转模式的DC-TENG不仅可以实现直流电输出，而且可以实现恒流电的输出，更重要的是，其输出电流基本上与负载电阻的大小无关，这样巧妙地实现了恒流源的功能。因为是恒电流输出，所以它能够直接产生电流来驱动电子器件。而传统的发电机是交流脉冲的电流，在驱动电子器件之前，需要先整流，变成直流脉冲，后通过能量存储器件转变成稳定电压、恒定电流之后对电池器件进行供电。
（1）DC-TENG的微结构设计改造
DC-TENG的电荷密度达到了400μC/㎡，接近了上面提到的差值。在此基础上，王杰团队又想了很多方法提升其输出，如介质层的优化、结构设计、气压设计等。其中，微结构的设计改造是一种能高效提高输出性能的方式。
滑动模式和接触分离模式摩擦的极限电荷密度是一样的，但是滑动模式可以瞬间达到摩擦起电的极限，它的摩擦起电有效性相对比较高。如果想要提高滑动模式DC-TENG的输出电荷，可以用一个面和一根线的摩擦来替代面与面的摩擦，而后把被替换的那个面的电极做成多个摩擦电极及相应的电荷收集电极，实现从一个发电机到多个发电机并联发电。