近期，程纲教授课题组的研究成果“具有增强电荷密度和有限开路电压的摩擦电纳米发电机用于高效电源管理和工业环境监测”在国际著名期刊Nano Energy（IF=16.8, JCR一区）上发表。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110308

物联网(IoT)的蓬勃发展引起了人们对物联网传感器节点供电问题的广泛关注。由于使用寿命有限和可能造成环境污染，传统化学电池无法满足长期的能源供应需求。从周围环境中收集机械能是物联网传感器供电的可行方法。发明于2012年的摩擦电纳米发电机(TENG)，工作机理是接触通电和静电感应效应的耦合。TENG具有成本低、制造容易、材料选择广泛、高效收集环境中低频能量等优点。

由于TENG具有较高的开路电压(V_oc)和交流(AC)输出特性，很难直接作为小型电子设备的电源使用。电源管理电路(PMC)可以有效地存储TENG的输出能量，并将其转换成稳定的低电压直流输出。但是，TENG的内部等效阻抗(>100 MΩ)与PMC的内部等效阻抗(<1 kΩ)并不匹配。研究人员通过一系列方法提高PMC的储能效率(η)。首先，在PMC中引入有源开关，这些开关不可避免地增加了电路的复杂性并导致额外的能量消耗。为了解决这一问题，将机械开关与TENG结合，形成脉冲摩擦电纳米发电机(Pulsed-TENG)。该设计不消耗电能，简化了PMC的结构，显著提高了PMC的集成度。已经报道了基于Pulsed-TENG设计的无源电源管理电路，其在高工作电压(> 20 V) (V_op)下具有高η。为小型电子设备供电需要降压电路，这需要额外的能量损失。由于大多数小型电子元件和传感器工作在低电压下，主要是在5 V左右，因此，提高PMC在低工作电压下的η对基于Pulsed-TENG的自供电系统具有重要意义。为了扩大PMC的应用范围，进一步优化PMC的效率已成为一个迫切需要解决的问题。

具有增强电荷密度和有限开路电压的TENG用于高效电源管理和工业环境监测

在本工作中，提出了增加TENG电荷密度和限制V_oc的策略，通过连接外部电容(C₃)增加Pulsed-TENG的内部总电容(Cin)，使V_oc保持在1000 V以下，以抑制电子元件的击穿。通过极化摩擦电层来提高电荷密度，有效地提高了PMC的能量存储效率。含100 pF C₃的PMC的η比不含C₃的PMC的η高1.7倍。随着C₃增加,增长率二极管能量损失(∝)低于输出的能量Pulsed-TENG(近似∝Cin)随Cin的增加。通过对电感和电容的优化，在5 V工作电压下，PMC的η值达到51.8%，创历史新高。最后，开发了一个自供电的工业环境监测系统，展示了其在自驱动系统中的应用前景。

河南大学博士研究生张智豪为论文的第一作者，顾广钦副教授和程纲教授本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委和河南大学的经费支持。