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文章导读

2022年3月，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的叶雄英教授课题组在《Nano Energy》发文，报告了在常规空气环境下，抑制空气击穿并提高驻极体等静电类发电机输出能量的两种通用策略，获得了目前为止接触分离式发电机输出能量密度177.8J m-3 cycle-1的新纪录。

文章概述

驻极体发电机作为一种静电发电机，其输出能量与驻极体上的表面电荷密度成正比。然而，由于空气击穿现象的存在，限制了驻极体上的表面电荷密度（~45μC m-2），使其远低于材料对电荷的容纳能力（~mC m-2量级），这极大地制约了发电机的输出能量。虽然改变发电机所处的气体环境可以有效提高空气击穿的上限，但这种方法通常需要额外封装，增加了发电机的制造复杂度和成本，且高击穿阈值的气体通常会对环境造成影响。因此，本工作在不改变环境条件的情况下，提出了一种用于降低空气隙电压的外电容策略以及一种增强空气间隙击穿阈值的多层小间隙策略，有效抑制了空气击穿、提高了驻极体上的可保持的表面电荷密度。通过结合这两种策略，驻极体发电机输出能量密度获得了极大的提升，达177.8J m-3 cycle-1，是该类发电机的已有记录提高了12倍，创造了该类发电机输出能量密度的新纪录。制作的尺寸为2cm×2cm×2mm的发电机，在1Hz的激励频率下，可驱动温湿度计、无线蓝牙传输模块、电子手表、计算器等电子设备持续工作。该工作打破了空气击穿限制下人们对该类发电机输出能量上限的认识，为静电类发电机输出能量密度的进一步提高提供了新的途径。该成果以《A compact triboelectric nanogenerator with ultrahigh output energy density via retarding air breakdown》为题发表在《Nano Energy》上。文章的第一作者为清华大学博士研究生曹泽元，叶雄英教授为本文的通讯作者。

论文链接

Zeyuan Cao, Zibo Wu, Rong Ding, Shiwen Wang, Yao Chu, Jiani Xu, Junchi Teng, Xiongying Ye, A compact triboelectric nanogenerator with ultrahigh output energy density of 177.8 J m-3 via retarding air breakdown, Nano Energy. 93 (2022) 106891. doi:10.1016/j.nanoen.2021.106891.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552101140X