重大胡陈果&重师贺文聪/杨晓红等：高耐久滑动式TENG—多区域电荷捕获提升风能收集性能

High Durability Sliding TENG with Enhanced Output Achieved by Capturing Multiple Region Charges for Harvesting Wind Energy

Wencong He*, Yunchuan Liu, Junhao Jin, Jiahao Cai, Buyong Wan, Jie Chen, Xiaohong Yang* and Chenguo Hu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 199

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02043-1

本文亮点

1. 提出了一种用于捕获多区域电荷的双输出模式摩擦纳米发电机，与传统器件相比，电荷转移速率提高了139%。

2. 基于微米级电介质材料实现了846.7 μC m⁻²的电荷密度。

3. 该装置易于驱动，可在风力驱动下为路标等电子器件供电。

研究背景

人工智能与物联网技术的快速普及，推动户外智能设备(如道路标识、环境传感器)向规模化部署发展，但持续供电难题成为行业瓶颈。传统电池维护成本高、易造成环境污染，有线供电受地理条件限制难以普及，开发新型绿色自供电技术迫在眉睫。摩擦纳米发电机(TENG)作为环境机械能-电能转换的核心装置，具有低成本、轻质、低频率适配性强等优势，为收集环境机械能(如振动能、风能、水流能等)并转化为电能提供了一种很有效技术。各种TENG根据其工作机理和输出信号类型大致可分为两类：(1)基于摩擦起电和静电感应的耦合产生交流电(AC-TENG)；(2)基于摩擦起电和空气击穿的耦合产生直流电(DC-TENG)。其中，DC-TENG无需整流电路和储能单元，可直接向电子器件供电。目前两类TENG的输出已达到较高电荷密度输出。然而，滑动模式TENG仍面临两大关键问题：一是表面电荷易因静电击穿消散，二是体积效应导致内部电荷泄漏，两者共同造成能量浪费。同时，高输出与高耐久性难以兼顾，严重制约其实际应用。现有解决方案未能从根源上解决多区域电荷流失问题，且常以牺牲耐久性为代价。为此，开发兼具电荷高效捕获与长寿命特性的TENG器件，成为突破风能资源化利用瓶颈的关键。

内容简介

为了实现高耐久性和高输出性能的TENG，近日，重庆师范大学杨晓红教授团队和重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队受电荷多区域收集的启发，设计了一种基于接触起电和空气击穿的新型双输出模式摩擦纳米发电机(DDO-TENG),该发电机可及时有效收集介电材料表面电荷，实现TENG的最大输出性能，在环境常见风速范围2-10 m s⁻¹内均可产生理想输出，用于驱动小型电子传感器件。本文制备了一种滑动式TENG，并系统地分析了在一个工作周期内的输出特性的理论机理。同时本文设计了旋转式DDO-TENG，其最大电荷密度达到846.7 μC m⁻²。DDO-TENG具有卓越的耐久性能，在271k次循环工作后仍能保持95.7%的输出性能。此外DDO-TENG能为各种商用电容器快速充电并能驱动1924个LED。在风能驱动下为电容充电并驱动蓝牙温湿度计，且在高熵环境下同样能实现高输出性能。这项工作为实现输出性能提升和耐久性的改善提供了一种策略，并扩展了TENG的应用。

图文导读

I DDO-TENG的结构设计与工作机理

如图1a所示，将DDO-TENG安装在道路两侧，可收集环境中的风能或水能为道路标识供电，降低道路电路建设与维护成本。当PU泡沫用作介电层时，其内部大量相互连通的微米级孔隙为电荷提供了三维迁移通道；当滑块与定子摩擦接触时，摩擦起电产生的束缚电荷不仅分布在PU表面，还会在接触电场的驱动下沿孔隙通道向材料内部进行体相短距离迁移。基于体积效应下介电材料内部电荷的迁移行为，以及静电空气击穿效应中电荷通过击穿形成的导电通道进行转移的特性，本研究聚焦这两种效应的耦合作用对电荷转移过程的影响机制，设计并构建了双输出模式的DDO-TENG。TENG一个循环的工作原理如图1b所示。初始状态下，滑块与定子接触时，由于摩擦起电，PU和PTFE表面会产生等量异号电荷。当滑块向右移动至阶段Ⅰ时，滑块与定子底部电极(BE)重合，介电材料表面与电极间形成强电势差，PU材料内部发生强烈的电荷泄漏效应(电荷迁移)，因此通过静电感应，外部电路中会产生大量转移电荷。随后，滑块进入电荷空间积累区(阶段Ⅱ)，摩擦层的摩擦起电遵循电荷守恒定律。当介电材料表面电荷密度达到饱和后，根据帕邢定律，空气的介电强度约为3 kV/mm；只要该静电场强度超过两电极间空气的介电强度，周围空气就会发生局部电离并开始导电。这使得电子从介电材料薄膜流向收集电极，从而减小两电极间的电势差，形成导电通道。电荷通过外部电路流入侧电极，使一侧电极产生正向电流输出，另一侧电极产生反向电流输出。阶段Ⅲ和阶段Ⅳ与阶段Ⅰ和阶段Ⅱ原理相似，仅电荷流动方向相反。DDO-TENG的三维结构及实物图如图1c所示。与传统TENG不同，DDO-TENG 由具有体积效应的定子和触发静电空气击穿效应的滑块组成，定子和滑块均集成了特定功能的电极结构。定子底部的铝膜电极作为静电感应电极，可产生交流输出；滑块侧面设置悬浮铜(Cu)电极，作为静电空气击穿的电荷捕获电极(CCE)，实现直流信号输出。基于定子体积效应触发的摩擦起电与静电感应的耦合作用，以及滑块中的收集电极的静电击穿效应，DDO-TENG可同时产生交流和直流输出，其交流和直流输出电荷分别达到780 nC和500 nC。优化后，其电荷转移速率较单一模式TENG提升139%(图1d)。因此，DDO-TENG 的能量转换效率进一步提高，电荷密度达到846.7 μC/m²。与以往聚焦优化电荷密度和耐久性的研究相比，DDO-TENG 的总输出有显著提升(图1e)。

图1. DDO-TENG的工作机制与电性能。a. TENG将风能转化为电能为高速公路标识和道路标记供电的场景图；b. TENG中电荷转移的工作原理；c. 水平滑动模式DDO-TENG的三维结构、实物图及PU泡沫的SEM图像；d. DDO-TENG、交流TENG(AC-TENG)和直流TENG(DC-TENG)在1 Hz下的电荷输出速率；e. DDO-TENG与典型TENG的电荷密度对比。

II 输出性能优化

为筛选出适用于DDO-TENG介电层的优质材料，本研究固定滑块介电层材料为PTFE，首先探究了定子的不同正极性介电材料。系统探究介电材料对DDO-TENG输出的调控规律，明确最优材料组合与参数。图2a测试PU、PET、尼龙、丁腈橡胶四种正极性材料的漏电流，丁腈橡胶漏电流最强但磨损严重，PU漏电流适中且结构稳定。图2b-c分别展示不同材料的交流、直流转移电荷，PU的交流输出最优，直流输出虽不及尼龙但综合性能更优。图2d的I-V曲线证实，PU泡沫最大漏电流达840 nA，约为PTFE薄膜(30 nA)的28倍，多孔结构强化电荷迁移。图2e对比材料配置，PTFE作为滑块、PU作为定子的PTFE@PU结构，交直流输出均优于PU@PTFE组合。图2f测试不同厚度PU的漏电流，随厚度增加漏电流逐渐减弱；图 2g显示0.7 mm PU电荷转移最大，但摩擦系数过高，1 mm PU兼顾输出与耐久性。图2h-i探究PTFE厚度影响，180 μm时交流、直流转移电荷均达峰值，过薄(70 μm)导致贴合不均，过厚(250 μm)引发接触失效。最终确定1 mm PU+180 μm PTFE的最优组合，使滑动式TENG交流输出电荷700 nC、短路电流3.98 μA，直流输出电荷450 nC、短路电流2 μA，实现输出性能与稳定性的协同优化。

图2. 摩擦层介电材料的性能优化。a不同介电材料的漏电流、b不同介电材料的交流转移电荷、c不同介电材料的直流转移电荷、d聚氨酯(PU)与聚四氟乙烯(PTFE)的电流-电压(I-V)曲线、e PTFE与PU材料作为定子摩擦层时摩擦纳米发电机(TENG)的输出电荷对比、f不同厚度PU的漏电流、g不同厚度PU的交流与直流转移电荷、h不同厚度PTFE的交流电荷输出以及i不同厚度PTFE的直流电荷输出，系统探究介电材料的种类、厚度对器件输出性能的调控规律。

III DDO-TENG 的结构性能优化

为了全面剖析结构参数对输出的影响，完成多维度优化。图3a为平面结构示意图，明确电极宽度、间隙、滑动速度等核心调控参数。图3b测试20-50 mm电极宽度的转移电荷，35 mm时交直流输出协同最优，总转移电荷达1.72 μC，过宽或过窄均会导致单一输出模式占优。图3c-d呈现2-5 mm电极间隙的转移电荷与短路电流，3.5 mm时横向电荷迁移干扰最小、纵向迁移效率最高，总转移电荷提升至1.78 μC，进一步增大间隙则电场强度降低，感应电荷减少。图3e显示8-20 cm/s滑动速度下，饱和电荷保持稳定(交流0.78 μC、直流0.5 μC)，电流随速度递增，验证速度仅影响电荷转移速率。图3f表明滑动距离与输出正相关，摩擦面积扩大促进电荷产生与捕获。图3g测试1 MΩ-10 GΩ负载下的功率特性，交流、直流输出通道功率密度峰值分别为1.43 W/m²和1.19 W/m²，负载匹配后能量转换效率最优。图3h开展12小时长期稳定性测试，交流输出保持初始值98.5%，直流输出略有提升至102%，均维持在95%以上，归因于PU软接触界面有效降低机械磨损，保障输出稳定性。

图3. DDO-TENG的结构性能优化。a摩擦纳米发电机(TENG)的平面结构示意图、b不同定子电极宽度的转移电荷、c不同电极间隙的转移电荷、d不同电极间隙的电流输出、e不同滑动速度下的转移电荷、f不同滑动距离的转移电荷、g 1兆欧(MΩ)至10吉欧(GΩ)不同电阻下交流与直流的最大输出功率以及h TENG连续运行12小时的转移电荷，系统探究电极尺寸、运动状态、负载电阻等结构与工作参数对器件输出性能的调控规律。

IV 旋转模式 DDO-TENG 的输出性能

由于单向旋转运动在实现连续能量收集方面具有优势，基于滑动式DDO-TENG的优化参数，并充分考虑其周期性工作特性，通过合理布局设计了旋转式DDO-TENG(图4a)。定子含径向铝电极阵列，转子为扇形摩擦层。图4b-c测试4-7组电极对数的直流、交流转移电荷，图4d为对应短路电流，均证实6组电极时输出达峰值，12组电极因静电耦合效应加剧，转移电荷下降42%。图4e-f呈现10-90 rpm转速下的直流、交流转移电荷，图4g为对应电流，交流输出在低频区间保持稳定，直流输出随转速线性增长，转速从10 rpm增至90 rpm时，转移电荷从0.32 μC提升至0.51 μC。图4h测试不同负载电阻的功率密度，双输出协同在160 MΩ时达15 W/m²，分别为单一交流模式(110 MΩ 时8.74 W/m²)和直流模式(560 MΩ时3.54 W/m²)的1.72倍和4.4倍。图4i开展271800次循环耐久性测试，转移电荷保持初始值的95.7%，无突发性衰减。图4j对比初始与循环后PU/PTFE的SEM图像，材料表面仅出现轻微磨痕，PU多孔结构未坍塌，证实器件优异的长期稳定性。

图4. 旋转式DDO-TENG的输出性能。a旋转式DDO-TENG的三维结构示意图、b-c不同定子电极对数的直流和交流转移电荷、d不同定子电极对数的直流和交流电流输出、e-f不同旋转速度下的直流和交流转移电荷、g不同旋转速度的直流和交流电流输出、h 1兆欧(MΩ)至10吉欧(GΩ)不同电阻下交流与直流的最大输出功率、i DDO-TENG转移电荷的耐久性测试以及j初始状态和经过271000次连续测试后聚四氟乙烯(PTFE)薄膜与聚氨酯(PU)泡沫表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。

V 旋转式DDO-TENG的应用演示

为验证多场景验证DDO-TENG的实用价值，覆盖风能捕获、电能存储与设备供电全链条。图5a为带扇叶的三维结构，上层三叶片扇叶捕获风能，通过传动轴与下层旋转式DDO-TENG连接。图 5b 显示2-6 m/s风速下转移电荷随风速递增，证实器件对自然风场的适应性。图5c为110 MΩ负载下的电压-电荷曲线，4 m/s风速时每个工作循环可输出1.69 mJ能量。图5d显示该风速下器件输出电压达2.5 kV，具备高电压输出能力。图5e为电源管理电路，由全整流桥、滤波电容、稳压组件组成，可将交直流混合电能转化为3.3 V/5 V稳定直流电压。图5f-g分别展示 60 rpm 转速、4 m/s 风速下对0.1-9.4 mF电容的充电曲线，充电速率达380-475 μC/s，曲线平滑无波动。图5h呈现LED道路标识供电场景，4 m/s 风速下可稳定点亮指示牌与岔路标识。图5i-j为两台并联蓝牙温湿度计供电的电压图与实物图，持续工作超3分钟。图5k展示300 rpm转速下1924个绿色LED灯100%同步点亮，验证其大功率输出能力，凸显在户外分布式供电场景的工程化潜力。

图5. 旋转式DDO-TENG的应用演示。a 带扇叶的旋转式 TENG 三维结构图、b 不同风速下的转移电荷、c 外部负载为110兆欧(MΩ)时的电压 – 电荷曲线、d 风速为4 m/s时的电压、e 电源管理电路、f 固定转速60转每分钟(rpm)下为不同电容器充电、g 固定风速4m/s下为不同电容器充电、h 由LED灯组成的道路指示灯和道路标识(在4 m/s风速下由旋转式DDO-TENG供电并点亮)、i 转速 60 转每分钟时旋转式DDO-TENG为两台并联蓝牙温湿度计供电的电压图、j 转速60转每分钟时旋转式DDO-TENG为两台并联蓝牙温湿度计供电的实物图以及k转速300转每分钟时旋转式DDO-TENG点亮1924个绿色LED灯。

VI 总结

本文提出一种基于体积效应与静电击穿的双输出模式DDO‑TENG。通过优化介电材料，实现交直流耦合输出，大幅提升电荷密度，可高效收集风能、水能。器件功率密度达15 W m⁻²，电荷密度846.7 μC m⁻²，长时间运行后性能仍保留95%以上，稳定性优异。可同时点亮1924个LED与两台蓝牙温湿度计，并在2–10 m s⁻¹风速下持续供电，验证了实用性，为高稳定、高输出TENG提供了新方案。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 重大胡陈果&重师贺文聪/杨晓红等：高耐久滑动式TENG—多区域电荷捕获提升风能收集性能