摩擦电纳米发电机（TENG）被视为一种新技术，用于收集环境机械能，如人体运动、风、雨、水波能等。传统的TENG已在便携式电源、蓝色能源和自供电传感器等多个领域进行了研究，其具有重量轻、易制造、成本低、将低频机械能转换为电能的效率高等优点。通常TENG具有电容器结构和四种工作模式，即垂直接触分离模式、滑动模式、单电极模式和独立模式。TENG有两种输出模式，一种是基于摩擦带电和静电感应耦合的交流（AC）模式，另一种是基于摩擦带电和空气击穿耦合的直流（DC）模式。交流电可以通过整流转换成直流电。
然而，从对称性来看，应该有一种逆变模式来将直流电转换为交流电。其中，基于摩擦带和空气击穿耦合的DC-TENG可以实现单向DC输出，为TENG提供了一种新的输出模式。TENG的AC输出具有高开路电压（~kV）和低短路电流（~μA）的特点。输出电压在很大程度上取决于负载电阻，负载电阻可用于直接控制一些具有相当高内阻的电容性器件。因此，TENG可用于直接驱动介电弹性体、铁电聚合物等许多电响应材料和器件。同时，将具有不同电响应特性的智能材料或不同静电器件与TENG结合，可以建立具有多种实用功能的复合系统，从而实现简单有效的自供电智能系统，而未来的自供电智能系统需要探索更多功能新颖的TENG输出模式。
近日，重庆大学 胡陈果教授、刘安平副教授和Wenlin Liu（共同通讯作者）等人 首次报道了一种通过设置交替极性分布区域来实现基于摩擦带电和空气击穿耦合的交流（AC）模式的逆变TENG（I-TENG）。不同于传统AC-TENG的固定波形，I-TENG具有独特的特性，通过调节两种相反材料的分布宽度和电负性差，可以控制交流信号的宽度比和振幅比。此外，作者还研究了电荷转移机理，并探讨了材料和结构参数的优化。I-TENG在Kapton层和Nylon层的表面电荷密度分别达到90和130 μcm2 。此外，不同时间比的AC输出电流，从恒定的正DC输出到等时的正/负AC输出，再到恒定的负DC输出，证明了其优于传统TENG的常规交流输出。分布在两侧的456个LED由I-TENG交替点亮，证明了AC输出特性和可靠的能源供应。用于汽车的实时计算机模拟位移和方向控制器进一步展示了I-TENG在构建灵敏高效的控制系统中的应用。该工作使TENG拥有完整的输出模式，并为TENG从AC到DC，从DC到AC，甚至在一个TENG中混合DC和AC的对称输出机制的发展铺平了道路。这些强大的功能赋予了TENG建立复合系统以实现有效的自供电智能系统的更多优势。
I-TENG的结构设计使用两种不同电负性材料的交替极性分布区域，以基于相同原理产生交流输出。具体而言，I-TENG的滑块由摩擦电极（FEs）和电荷收集电极（CCE）组成，而定子由极性完全不同的Kapton和Nylon的摩擦材料组成，以及作为这些摩擦材料下方缓冲的泡沫。I-TENG的工作机理：在直线电机驱动下，滑块开始向右移动，只要CCE和摩擦层之间有合适的间隙，且静电场大于它们之间空气的介电强度，空气就被电离，然后正离子和负离子分别中和Kapton和CCE上的相反电荷，从而在外部电路中产生电流。当滑块移动到Nylon摩擦层上时，基于摩擦带电效应，Nylon表面上存在正电荷，右侧FE上存在等效负电荷。随着电荷累积，尼龙和CCE之间的高电位差会导致空气击穿，从而导致与第一步相反方向的DC输出。类似地，当滑块向后移动时，摩擦带电和空气击穿在外部电路中产生相同方向的电流。左电极进入Kapton时，电流以与第三步相反的方向产生。 测试结果表明，合适的硬质泡沫可以有效地增强输出电荷，并使输出波形更加对称。I-TENG的铜材料的形状与FE不同，具有相同的实验和结构参数（FE和CCE除外）。图2c中定义了I-TENG的结构参数，其中X、G、D和F分别表示铁电极和CCE之间的距离、CCE电极和摩擦材料之间的气隙、铁电极直径和施加的纵向力。随着施加的纵向力从0增加到50 N，I-TENG的输出电荷和电流线性增加，Nylon膜上的电荷从171增加到252 nC，Kapton膜上的电荷从102增加到169 nC，表明通过在电极上施加更大的纵向力，接触更加充分。因此，Nylon和Kapton分别与Cu作为正极和负极材料配对，能更好的输出性能。 图2. 结构参数和材料特性对I-TENG输出性能的影响 图3a显示了相同总面积为48 cm2 的各种摩擦层对的示意图。图3b-c分别显示了一个周期内无纵向力I-TENG的输出电荷和电流。随着电介质摩擦层对的增加，脉冲计数增加，电流几乎保持恒定值，但六对的电流略有减少。在优化实验参数下，输出电荷和电流随着电极对从1到3的增加呈现线性增加，同时滑块的宽度从10到22 mm。当滑动距离为12 cm时，3对电极的I-TENG在Nylon和Kapton上的输出电荷分别为130和90 μC m2 ，约为1对电极的I-TENG的两倍。 图3. 不同数量材料和电极对的I-TENG的输出性能 作者制备了具有不同长度比（M/N）的I-TENG，其中M和N分别表示Nylon和Kapton的长度。在不同脉宽比M/N下，I-TENG的正/负电流输出时间宽度随M: N比的变化而变化。此外，不同的脉冲宽度对输出振幅没有影响，因此I-TENG具有优异的可调节性和适应性。为了显示出色的交流输出性能，分布在两侧的456个LED由I-TENG交替供电，其中等效电路图和光学照片显示在左侧和右侧部分，分别表示手动驱动时明显的交流特性和亮度。 为了展示I-TENG独特功能的应用，作者为一辆汽车设计了一个实时计算机模拟位移和方向控制器，通过在两种电负性相反的材料上移动滑块，验证了该控制器是一个非常灵敏和高效的控制系统。此外，当滑块移动到另一种摩擦材料时，汽车可以改变运动方向，显示出I-TENG与传统AC-TENG相比的独特优势。I-TENG可能被应用于停车场管理的实时车辆位置监控。 图6. 基于I-TENG的实时计算机模拟位移和方向控制器 An inverting TENG to realize the AC mode based on the coupling of triboelectrification and air-breakdown. Energy Environ. Sci. , 2021 , DOI: 10.1039/D1EE01641E.
https://doi.org/10.1039/D1EE01641E.
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