利用摩擦电纳米发电机进行机械能采集是新时代为广泛分布的电子设备提供可靠电力的理想且可持续的方法，但由于不可避免的侧向放电和由静电击穿引起的低库仑效率等问题，其实际可行性受到了严重挑战。在这里，报告了在摩擦电纳米发电机中建立逆向电场的自发性问题，该逆向电场可以限制侧向放电问题。直接交流摩擦电纳米发电机的演示实现了高库仑效率（从28.2%提高到94.8%）和显著的输出功率提高。更重要的是，证明了这一策略对其他模式的摩擦电纳米发电机同样适用，并实现了6.15 W/m^2/Hz的纪录高平均功率密度。库仑效率被证明是衡量摩擦电纳米发电机实际性能的新的性能指标。
图1：自发形成的反向电场以限制侧向放电问题及其特性的概念图。图1a 1. 随着SCD从0增加到σ1，电场强度从0增加到EB1。EB1是空气中的击穿阈值。σ1是相应的最大SCD。2. 对于特殊的大气环境（如SF6和N2等），电场强度可以从EB1增加到EB2，相应的最大击穿场强为σ2。3. 绝缘体上的SEREF会随着SCD的增加而增大，从而维持电极边缘周围的电场强度在EB1附近，避免静电击穿的复发。b 图示为电极的示意图，其中(a)为无绝缘体的电极，(b)为带有绝缘体的电极。c 绝缘体侧表面的SCD迅速积累，当移动距离为10厘米时达到1毫库每平方米。此箱形图显示了五组数据的分布情况，标有尖端的条形图表示最极端的数据，不包括异常值。d、e 模拟了电极边缘周围的电场（SCD为-50微库每平方米）。（a）无绝缘体；电极边缘的电场超过EB1（EB1=3兆伏每米）。（b）带有绝缘体；电极边缘的电场也超过EB1。（c）带有绝缘体且绝缘体的SCD仅为-50微库每平方米；电极边缘周围的电场低于EB1。e中的数据是从d中5微米厚的摩擦电层上方的电场强度中提取的。f Q-V曲线表示电压为V时的输出电荷（Q（V））。1. 黑色曲线为空气中TENG的Q-V曲线。2. 紫色曲线是TENG在特殊大气环境下的Q-V曲线，从两个方面提高了TENG的性能：QSC和VOC。3. 橙色曲线是带有绝缘体的TENG的Q-V曲线。绝缘体上的SEREF可以从三个方面改善TENG的性能：QSC、VOC和η(V)。源数据作为Source data文件提供。
图2：自发建立的反向电场用于调节直流发电机的击穿域。图2a：直流发电机的示意图。有三个击穿域：第1击穿域、第2击穿域和第3击穿域。图2b：直流发电机的QSC和ISC。图2c：直流发电机的结构（无绝缘体）和有绝缘体的结构。图2d、e：直流发电机的等效电路。图2d（无绝缘体）：电荷通过第1击穿域和第2击穿域返回TL。图2e（有绝缘体）：电荷仅通过第1击穿域返回TL。图2d（ii）和图2e（ii）：当VCCE-FE增加到第3击穿域的阈值时，电荷从第3击穿域释放。图2f：直流发电机的第1击穿域和第2击穿域的晕放电（无绝缘体和有绝缘体，标尺：5毫米）。图2g：用于在不同输出电压下测量直流发电机输出电荷的测试电路。RP1和RP2是保护电阻，用于保护电荷计。图2h：Ctest的充电和放电曲线。这里，Ctest为1.025纳法。图2i：在电极边缘处，不同输出电压下的模拟电场结果。输出电压和直流发电机（无绝缘体）和（有绝缘体）的电荷。图2j和图2k分别显示了直流发电机（无绝缘体）和（有绝缘体）的输出电压和电荷的模拟电场结果。图中的j和k是第3BD的火花放电照片（比例尺：5毫米）。
图3：通过自发建立的反向电场提高DC-TENG性能。图3a显示QSC，图3b显示VOC，图3c显示DC-TENG的平均输出功率。图3d为DC-TENG的理想CMEO。Q1、Q2和Q3分别为DC-TENG输出电压为V1、V2和V3时的输出电荷。阴影区域代表输出能量。图3e为实际能量输出(CREO)曲线。Q'1、Q'2和Q'3分别为DC-TENG输出电压分别为V1、V2和V3时的实际输出电荷。图3f为带有绝缘体的DC-TENG的CREO。图3g为DC-TENG的Q-V曲线，其中电压为水平轴，电荷为垂直轴。图3h为第n次运动周期后的输出电荷和输出电压。图3i为通过线性拟合图3h中的实验数据得到的Q-V曲线。图3j为具有不同参数的DC-TENG的Q-V曲线。图例中的表格显示了不同设备在800 V电压下的库仑效率。
图4：通过提高库仑效率改善不同模式DC-TENG的性能。图4a CDC-TENG的结构。b CDC-TENG无绝缘体，电极间隙为0.5毫米；CDC-TENG无绝缘体，电极间隙为3.0毫米；CDC-TENG无绝缘体，电极间隙为1毫米，绝缘体宽度为3.0毫米。c CDC-TENG的Q-V曲线。d CDC-TENG的输出功率。e DEDC-TENG的结构图，使用腈来增强摩擦起电。f DEDC-TENG带绝缘体的结构图。g 通过对实验数据进行线性拟合得到的DEDC-TENG的Q-V曲线。h 旋转模式DC-TENG（K=9）的结构图。i DC-TENG的恒定电流（频率为1赫兹，旋转速度为60转/分）。j DC-TENG带或不带绝缘体的I-V曲线。k 不同优化策略下旋转模式DC-TENG的平均功率密度示意图。
图5：通过提高库仑效率来提升AC-TENG性能。图5a AC-TENG结构。b AC-TENG未加绝缘体，电极间距为0.5毫米；c AC-TENG未加绝缘体，电极间距为3毫米；d AC-TENG未加绝缘体，电极间距为1毫米，绝缘体宽度为3毫米。e AC-TENG的理想库仑效率曲线。f AC-TENG的实际V-Q曲线（SCD为σ1）。g AC-TENG带和不带绝缘体的Q-V曲线。h AC-TENG带双电介质层的Q-V曲线。i AC-TENG采用不同优化策略的平均功率密度示意图。
Yikui Gao, Lixia He, Di Liu*, Jiayue Zhang, Linglin Zhou, Zhong Lin Wang*, Jie Wang*, Spontaneously established reverse electric field to enhance the performance of triboelectric nanogenerators via improving Coulombic efficiency, Nature Communications, 2024, 15, 4167.
