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文章导读

2024年4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《Energy & Environmental Science》发文，揭示了静电发电机在空气击穿限制下的输出极限，并提出了一种在不改变空气氛围的前提下抑制发电机空气击穿、逼近其输出极限的方法，实现了对低频微位移动能的高效拾取。

文章概述

静电发电机作为一种新型机械能-电能转换器，通过静电感应将机械能转换为电能，相比于传统的电磁与压电发电机，具有更为优异的低频特性，在人体运动、海浪、风、振动等低频动能拾取方面展现出巨大优势。对静电发电机而言，其输出取决于可利用的电荷密度：电荷密度越高、发电机的输出也越高。然而，受制于空气击穿，特别是结合电源管理所必须的同步开关后，静电发电机实际可利用的电荷密度一般仅有40-50μC m-2，极大地限制了其输出能力。为此，一些研究提出了通过封装高电负性气体或调整气压来抑制空气击穿的方法，但这些方法封装过程复杂，极大地增加了系统成本。近期，虽然也有研究通过调节发电机间隙的电场强度来增强发电机输出，但发电机输出距离帕邢定律所定义的输出极限仍有较大距离，且该类方法的设计也缺乏统一标准。

针对以上难题，该研究首先从机-电转换的基本原理出发，从理论层面揭示了静电发电机在空气击穿限制下的输出极限，并构建了静电发电机输出性能的标准化评估方法；在此基础上，进一步提出了通过分段间隙场强调控来逼近发电机输出极限的方法，并进行了理论与实验验证；最后，结合电荷泵浦策略，设计实现了能够高效拾取低频微位移动能的静电发电机，仅在100μm的微小分离距离下就实现了1.89mC m-2的电荷密度以及289mJ m-2 cycle-1的面输出能量密度，体能量密度高达2890J m-3cycle-1，创造了静电发电机输出能量密度的新记录。结合无源电源管理电路，有效面积为0.001m2的发电机能够在极低频率下（<3Hz）驱动IoT设备及各类电子器件阵列持续工作，为有力推动微能源拾取技术走向实际应用提供了新范式。

该成果以《Ultrahigh Power Generation from Low-Frequency and Micro Motion by Suppressing Air Breakdown》为题发表在《Energy & Environmental Science》上。清华大学精密仪器系博士后曹泽元为本文的第一作者。曹泽元博士，叶雄英教授为本文共同通讯作者。

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https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/EE/D4EE01119H