摩擦起電和靜電是一種非常普遍的現(xiàn)象，由于它很難被收集和利用，往往是被人們所忽略的一種能源形式。自從2012年中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）以來，全世界的學(xué)者從各個方面對TENG進(jìn)行了廣泛的研究。

TENG作為一種能源器件得到實際應(yīng)用的關(guān)鍵在于進(jìn)一步提高功率密度，其核心在于摩擦電荷密度的提高。摩擦電荷密度作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的核心性能指標(biāo)之一，TENG問世七年以來，科研工作者在摩擦材料選擇、表面修飾與改性等方面做了大量研究以提高摩擦電荷密度。

納米能源所王杰和王中林團(tuán)隊通過碎片化和柔性接觸方法將TENG的摩擦電荷密度從30 μC m-2 提高到近300 μC m-2（Nature communications 2016,7,12744），但是該電荷密度仍然受限于空氣擊穿，隨后在高真空環(huán)境中實現(xiàn)了1003 μC m-2的超高電荷密度（Nature communications 2017,8,88）。

但通常情況下，摩擦納米發(fā)電機(jī)工作在大氣壓環(huán)境下，因此這里大部分電荷密度通過空氣擊穿釋放掉了，如果將這部分空氣擊穿的能量收集起來，不僅可以提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，而且也是對摩擦納米發(fā)電機(jī)的重新認(rèn)識，對于更好地理解和利用摩擦納米發(fā)電技術(shù)具有重要意義。

傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有兩個與生俱來的特點：交流電輸出和脈沖特性。因此，通常摩擦納米發(fā)電機(jī)不能直接驅(qū)動電子器件。傳統(tǒng)的做法是外接全波整流橋和能量存儲單元才能得到穩(wěn)定的直流電輸出，這不利于構(gòu)建微型化的自驅(qū)動系統(tǒng)。而且，摩擦納米發(fā)電機(jī)的脈沖輸出具有比較高的損耗因子（定義為電流峰值與其均方根的比值），這在一定程度上影響了它用于能量存儲和驅(qū)動電子器件的效率。

4月5日，王杰和王中林等人在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表了題為A constant current triboelectric nanogenerator arising from electrostatic breakdown 的研究論文，納米能源所博士生劉迪、尹星和佐治亞理工學(xué)院博士后郭恒宇為論文共同第一作者。

該論文報道了一種基于摩擦起電和介質(zhì)擊穿的新一代摩擦納米發(fā)電機(jī)，首次實現(xiàn)了基于摩擦起電和空氣擊穿的恒流電輸出，基本原理類似于人工產(chǎn)生和收集“閃電”的能量。同時，摩擦電荷密度高于大氣環(huán)境下受限于空氣擊穿的傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷密度。

這一新穎的直流摩擦納米發(fā)電機(jī)已經(jīng)被證實可以直接驅(qū)動電子器件不需要外接整流橋或能量存儲單元。研究結(jié)果不僅有利于推動用于可穿戴電子和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的自驅(qū)動系統(tǒng)小型化，而且為高效收集機(jī)械能提供了新的范例。

圖：(a)恒流摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理，(b) 該TENG的恒電流輸出，(c) 該TENG直接驅(qū)動電子手表（無整流和儲能單元）。