构建具有充气柱单元的高性能多功能液-固摩擦纳米发电机

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1. 文章导读水资源在能源转化领域的应用日益广泛，涵盖将河流、潮汐及波浪的动能转化为可再生电力。水能资源具有分布广泛、稳定性强、无二氧化碳及其他温室气体排放等优势，是一种清洁环保的能源形式。本研究创新性地设计了具有内外双电极结构的充气柱状摩擦纳米发电机，开发出液滴式液固摩擦纳米发电机（ LSTENG）。该装置可用于同时收集液滴内部滚动机械能与外部滴落机械能，并支持多样化结构组装以满足多场景应用需求。通过集成内、外摩擦纳米发电机的组合结构，采用多种能量收集策略实现输出性能的优化。内部结构采用双电极柱状LS-TENG，专用于捕获水滴流体动能。通过利用空气柱内少量水体的往复运动，可高效收集机械能，达到9.02 W·kg^-1的最大质量功率密度及10.358%的能量转换效率。外部组件为基于液滴的LS-TENG，通过等效电路模型揭示其双层电容开关效应。值得注意的是，该组件无需预充电即可实现单个液滴产生超过140 V的高电压，达到7.35 W·m^-2的最大功率密度及22.058%的能量转换效率。这种复合型充气柱状LS-TENG可同步高效收集多种能量形式，在摩擦纳米发电机充气滚轴/帐篷/温室等潜在应用场景中展现出重要价值。