物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速發(fā)展推動(dòng)了分布式傳感節(jié)點(diǎn)的廣泛部署，但在許多應(yīng)用場(chǎng)景中仍缺乏穩(wěn)定電網(wǎng)支撐，傳統(tǒng)電池供能在更換頻率、維護(hù)成本和環(huán)境壓力等方面難以滿足長(zhǎng)期運(yùn)行需求。在此背景下，適用于低頻、小幅和隨機(jī)機(jī)械激勵(lì)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）逐漸受到關(guān)注。其中，基于空氣擊穿機(jī)制的直流型摩擦納米發(fā)電機(jī)（DC-TENG）可在短行程內(nèi)輸出微庫(kù)侖級(jí)電荷并提供持續(xù)直流信號(hào)，被認(rèn)為是提升輸出性能的有效途徑。然而，DC-TENG的性能提升受限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)瓶頸，電極未覆蓋區(qū)域產(chǎn)生的有害放電導(dǎo)致摩擦電荷被內(nèi)部中和，電荷生成與釋放效率失配。同時(shí)，傳統(tǒng)基于表面電荷密度的評(píng)價(jià)方式忽略器件幾何尺度效應(yīng)，難以公平比較不同DC-TENG結(jié)構(gòu)。因此，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效電荷釋放并建立合理的性能評(píng)價(jià)體系尤為關(guān)鍵。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，受《伊索寓言》中烏鴉喝水的故事啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于電暈放電機(jī)制的高性能直流摩擦納米發(fā)電機(jī)（AF-TENG），通過(guò)極致空間壓縮策略實(shí)現(xiàn)順暢的摩擦電荷釋放。該器件在滑塊內(nèi)部集成高密度、雙通道螺旋式電荷收集電極陣列，將原本集中于電極未覆蓋區(qū)域的摩擦電荷劃分為多個(gè)微尺度單元，實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)釋放，使輸出電荷量提升了237%。該結(jié)構(gòu)借助投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度集成，并通過(guò)微溝槽引導(dǎo)不銹鋼細(xì)絲有序排布，形成緊湊穩(wěn)定的電荷收集結(jié)構(gòu)，從而有效抑制有害放電與局部電荷堆積，提升了輸出穩(wěn)定性與一致性。在此基礎(chǔ)上，研究首次提出輸出摩擦電荷體密度（Volumetric Triboelectric Charge, C m?3）這一性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，將滑塊長(zhǎng)度、寬度和滑動(dòng)距離統(tǒng)一納入評(píng)價(jià)體系，從空間體積角度表征摩擦電荷的產(chǎn)生與傳輸效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該指標(biāo)可有效消除器件幾何尺寸對(duì)性能評(píng)價(jià)的影響，更公平地比較不同直流型TENG結(jié)構(gòu)的內(nèi)在性能。經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，AF-TENG在多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破，其表面電荷密度達(dá)14.2mC m?2，輸出摩擦電荷體密度高達(dá) 224nC cm?3，雙雙刷新了直流型摩擦納米發(fā)電機(jī)的最高紀(jì)錄。即使在僅1.46 cm2的指甲蓋大小的滑塊下，該器件仍可穩(wěn)定為溫濕度計(jì)、計(jì)算器等低功耗電子器件供能。所提出的空間壓縮策略具有可推廣性，為直流型TENG的性能提升與統(tǒng)一評(píng)價(jià)提供依據(jù)，該研究在微能量收集、自供電傳感系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)電源解決方案中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

該成果以" Extreme Squeezing of Volumetric Triboelectric Charge to a New Record of 224 nC cm^-3 Inspired by Aesop's Fables"為題，發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Advanced Materials》（IF=26.8），廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院為唯一通訊單位。

論文作者：李玲（碩）、唐衛(wèi)（博）、李嘉偉（博）、吳再邦（碩）、溫永盛（碩）、周煒鈺（碩）

通訊作者：陸翔（正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師）、劉官林（副教授）

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202515482