一、研究背景

水能作為地球上儲(chǔ)量豐富的可再生資源，可通過(guò)雨滴、河流、海浪等自然水體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可持續(xù)能源。近年來(lái)，多種水能收集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，包括電磁采集器、電活性聚合物采集器、濕度發(fā)電裝置以及液-固摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）等。其中，液滴基發(fā)電機(jī)（DEGs）憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和功率密度高的優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。

DEG利用下落的水滴撞擊摩擦電聚合物，鋪展的水滴能有效收集聚合物表面的摩擦電荷，產(chǎn)生瞬時(shí)（脈沖式）電能，其峰值功率密度可達(dá)約50 W/m2，平均功率密度約50 mW/m2。由于幾乎完全由聚合物（無(wú)金屬、耐腐蝕）材料制成，DEG在海洋波浪能等液壓動(dòng)力新興領(lǐng)域具有替代傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)的巨大潛力——海洋惡劣環(huán)境會(huì)導(dǎo)致金屬電磁發(fā)電機(jī)嚴(yán)重腐蝕，大幅增加維護(hù)成本。

自2020年發(fā)明以來(lái)，研究人員已開(kāi)發(fā)多種方法改善DEG的單元級(jí)輸出性能，但目前大多數(shù)進(jìn)展僅局限于調(diào)制單個(gè)DEG的輸出脈沖形式，至關(guān)重要的能量收集性能指標(biāo)——有效（平均）功率密度，尚未有突破原始50 mW/m2的報(bào)道。如同太陽(yáng)能電池到太陽(yáng)能電池板的發(fā)展，DEG實(shí)用化的關(guān)鍵步驟是將單個(gè)單元規(guī)模化集成，形成大型DEG面板和陣列以獲取足夠的總輸出功率，但規(guī)?；^(guò)程面臨三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

1. 單元間干擾問(wèn)題：普通DEG輸出交流電，原則上每個(gè)單元需配備全波整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，避免單元間破壞性干擾，這顯著增加了制造和維護(hù)的復(fù)雜性與成本。

2. 面板級(jí)寄生電容導(dǎo)致性能退化：傳統(tǒng)DEG面板的寄生電容會(huì)導(dǎo)致規(guī)模化后性能大幅下降，甚至低于單個(gè)單元性能。

3. 不規(guī)則高壓脈沖電能存儲(chǔ)效率極低：DEG產(chǎn)生的高壓瞬時(shí)脈沖電能難以被傳統(tǒng)儲(chǔ)能器件有效存儲(chǔ)，存儲(chǔ)效率通常低于2%，現(xiàn)有功率管理策略難以適配大型DEG陣列的不規(guī)則輸出。

低儲(chǔ)能效率與未達(dá)實(shí)用化的輸出功率，成為大型DEG陣列用于自然水能收集的關(guān)鍵瓶頸。

二、研究?jī)?nèi)容

1. 液滴基發(fā)電機(jī)單元優(yōu)化：局部化底電極設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，DEG的底電極具有雙重作用：足夠大的底電極面積是最大化鋪展水滴與底電極間體電容（C_B）、保證高輸出功率的必要條件，但過(guò)大的底電極面積會(huì)顯著增加電路中的寄生電容，從而降低輸出功率。因此，當(dāng)?shù)纂姌O面積與撞擊水滴的最大鋪展面積（S_D,max）相當(dāng)時(shí)，DEG輸出功率達(dá)到最大值。

基于該發(fā)現(xiàn)，將全局底電極（GBE）改為面積優(yōu)化的局部化底電極（LBE），無(wú)需額外電路設(shè)計(jì)，即可在不顯著降低體電容C_B的前提下，有效抑制寄生電容的不利影響。優(yōu)化效果如下：

• 單個(gè)LBE-DEG單元的平均輸出功率密度從GBE-DEG的28.3 mW/m2提升至109.0 mW/m2，提升近4倍，是原始DEG的2.2倍。

• 優(yōu)化負(fù)載電阻后，單個(gè)LBE-DEG單元的最大輸出功率達(dá)32.7 μW。

• 去離子水驅(qū)動(dòng)的LBE-DEG具有良好穩(wěn)定性，連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)后仍保留72%的初始輸出功率，性能退化可通過(guò)簡(jiǎn)單清潔完全恢復(fù)。

• 該優(yōu)化效果適用于多種測(cè)試條件和液體特性，最優(yōu)性能始終出現(xiàn)在底電極面積接近水滴最大鋪展面積時(shí)。

圖 | 局部化底電極（LBE）DEG單元優(yōu)化。a LBE-DEG單元的示意圖和簡(jiǎn)化電路模型（包含體電容C_B、器件誘導(dǎo)寄生電容C_P,D和電路誘導(dǎo)寄生電容C_P,C）；b 不同電極設(shè)計(jì)（全局底電極GBE重疊頂電極、GBE不重疊頂電極、LBE）的DEG單元輸出電壓；c 不同底電極面積（S_BE）的LBE-DEG單元輸出電壓；d 不同S_BE的DEG單元橫截面有限元法（FEM）模擬電勢(shì)分布；e 體電容和寄生電容隨S_BE的變化（灰色陰影區(qū)為S_BE等于水滴最大鋪展面積S_D,max，體電容與寄生電容差值最大）；f 不同S_BE的DEG單元峰值電壓（V_peak）和平均輸出功率（P_RMS）；g 原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示（i）PTFE膜和（ii）玻璃片的表面粗糙度；h PTFE和玻璃的體電容（C_B）隨底電極面積的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果；i 近年來(lái)DEG單元的平均輸出功率（P_RMS）和能量收集效率（E_V）對(duì)比12,23,25。

2. DEG面板規(guī)模化集成

單整流器DEG面板將多個(gè)DEG單元集成在同一基板上，共享頂電極、底電極和整流器，是規(guī)?；圃斓睦硐虢Y(jié)構(gòu)。LBE設(shè)計(jì)可有效緩解傳統(tǒng)GBE面板的能量損失問(wèn)題：

• LBE面板的底電極總面積需接近單元數(shù)量（n）與單個(gè)單元最優(yōu)底電極面積（S_Cell）的乘積（S_Panel = n×S_Cell）。

• 低頻（f=1 Hz）下，LBE面板的總平均功率隨單元數(shù)量n（n≤6）成比例增長(zhǎng)；高頻（f=5 Hz）下，功率仍隨n（n≤5）近似成比例增長(zhǎng)，5單元LBE面板在5 Hz下功率達(dá)77 μW，是相同條件下GBE面板的4倍。

• LBE面板的輸出脈沖周期更短，能容納更多單元而不產(chǎn)生顯著電干擾，單元數(shù)量上限從GBE面板的3個(gè)擴(kuò)展至LBE面板的5-6個(gè)。

5單元LBE面板在5 Hz下的總平均功率（77.1 μW）是相同條件下5單元GBE面板的3.9倍，是文獻(xiàn)報(bào)道最優(yōu)DEG面板的2.5倍；能量收集效率（49.1 μJ/mL）是文獻(xiàn)報(bào)道值的4.2倍。多個(gè)LBE面板可通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)連接，輸出性能與相同總單元數(shù)的大型LBE面板相當(dāng)，為大型DEG面板陣列的設(shè)計(jì)和制造提供靈活性。

圖| DEG面板設(shè)計(jì)與輸出性能。a 5單元優(yōu)化LBE-DEG面板的示意圖；b GBE和c LBE DEG面板的平均輸出功率隨工作單元數(shù)量的變化；d 單個(gè)DEG單元在GBE和LBE面板上的歸一化輸出電壓（V/V_peak）與歸一化時(shí)間（(t-t_on)/τ）關(guān)系（t_on為脈沖起始時(shí)間，τ為電弛豫時(shí)間）；e 優(yōu)化后的5單元LBE-DEG面板在頻率f=5 Hz下的輸出電壓；f 優(yōu)化后的單個(gè)LBE-DEG單元在f=25 Hz下的輸出電壓。

3. DEG陣列規(guī)模化集成

將6個(gè)5單元LBE面板（共30單元）集成在同一基板上（傾斜45°），經(jīng)整流后并聯(lián)連接，形成30單元DEG陣列：

• 所有面板在5 Hz撞擊頻率下產(chǎn)生相似輸出電壓，表明LBE-DEG面板的性能可擴(kuò)展性。

• 30單元DEG陣列的總平均功率達(dá)371.8 μW，是文獻(xiàn)報(bào)道30單元DEG陣列的兩倍以上。

• 總能量收集效率E_V達(dá)35.4 μJ/mL，是文獻(xiàn)報(bào)道值的3倍以上，與多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的單個(gè)DEG單元效率相當(dāng)。

圖 | DEG面板陣列設(shè)計(jì)與輸出性能。a 由6個(gè)LBE-DEG面板（標(biāo)記為P1-P6）組成的DEG面板陣列示意圖；b 6個(gè)獨(dú)立面板（每個(gè)包含5個(gè)DEG單元）的電壓-時(shí)間曲線(xiàn)；c 30單元（每面板5個(gè)單元×6個(gè)面板）DEG面板陣列的平均輸出功率（P_RMS）隨面板數(shù)量的變化；d 不同DEG單元、面板和陣列的能量收集效率（E_V）和平均輸出功率（P_RMS）對(duì)比12,23,25,30,32。

4. 大型微型超級(jí)電容器（MSC）陣列制備與集成

為有效存儲(chǔ)30單元DEG陣列產(chǎn)生的強(qiáng)不規(guī)則高壓脈沖電能（峰值電壓>400 V），通過(guò)直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）與激光刻蝕相結(jié)合的方法，在陶瓷基板上制備400單元MSC陣列：

• 導(dǎo)電有機(jī)墨水由PEDOT:PSS和EEG組成，可打印厚度>10 μm的大面積均勻電極膜，經(jīng)激光刻蝕形成20行×20列的叉指結(jié)構(gòu)MSC陣列，通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)充電與并聯(lián)放電切換。

• 400單元MSC陣列的工作電壓窗口達(dá)640 V，充電速率高達(dá)2000 V/s，顯著優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的MSC陣列。

• 100單元子陣列在160 V電壓窗口內(nèi)表現(xiàn)出低阻抗和高倍率性能，循環(huán)穩(wěn)定性良好（2000次循環(huán)后電容保留率約78%）。

圖 | MSC陣列的制備過(guò)程與電化學(xué)測(cè)試。a MSC陣列的制備流程示意圖（DIW：直接墨水書(shū)寫(xiě)，PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯）；b （i）MSC陣列電極、（ii, iv）單個(gè)MSC單元的照片，以及（iii）頂視圖和（v）橫截面視圖的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）基電極掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；c 100單元MSC子陣列在不同掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）曲線(xiàn)；d 100單元MSC子陣列在不同電流下的恒流充放電（GCD）曲線(xiàn)；e 本工作與近年文獻(xiàn)39-41中不同MSC陣列的總工作電壓窗口與單元數(shù)量關(guān)系。

將30單元DEG陣列與400單元MSC陣列集成，構(gòu)建無(wú)芯片自充電電源系統(tǒng)（SCPS），采用“串聯(lián)充電、并聯(lián)放電”策略：

• 儲(chǔ)能效率（ESE）達(dá)21.8%，是文獻(xiàn)報(bào)道30單元DEG陣列+商用電容器系統(tǒng)的11倍，接近TENG+商用芯片定制電路系統(tǒng)的效率，且無(wú)需任何額外電子元件或電路設(shè)計(jì)。

• 系統(tǒng)有效能量收集功率達(dá)81.2 μW，是現(xiàn)有同類(lèi)系統(tǒng)的27倍。

• 實(shí)用化驗(yàn)證：30秒充電后，400單元MSC陣列可驅(qū)動(dòng)LED持續(xù)發(fā)光60秒；采用模擬雨水驅(qū)動(dòng)時(shí)，仍能有效存儲(chǔ)能量并驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。

圖 | 自充電電源系統(tǒng)（SCPS）核心概念。a 大型液滴基發(fā)電機(jī)（DEG）陣列與大型微型超級(jí)電容器（MSC）陣列集成的自充電電源系統(tǒng)示意圖（PTFE：聚四氟乙烯，LED：發(fā)光二極管）；b 30單元DEG面板陣列的不規(guī)則高壓輸出；c 100單元MSC子陣列的快速充放電性能（100 V/s掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）曲線(xiàn)）；d 本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)25,30,33（包括摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）系統(tǒng)）的儲(chǔ)能效率對(duì)比。

圖 | 基于大型DEG陣列與MSC陣列集成的自充電電源系統(tǒng)（SCPS）。a SCPS關(guān)鍵組件照片（左：30單元DEG陣列，中：6個(gè)整流器，右：400單元MSC陣列）及電路設(shè)計(jì)（S_s,i、S_pa,i和S_pb,i (i=1,2,...,9)為控制MSC陣列連接配置的開(kāi)關(guān)，未標(biāo)記比例尺為2 cm）；b 不同“m_pP×m_sS”配置的MSC陣列經(jīng)30單元DEG陣列充電30秒后，在5 μA電流下的放電曲線(xiàn)（m_p為并聯(lián)組數(shù)量，m_s為每組串聯(lián)單元數(shù)量）；c 不同工作單元數(shù)量的MSC陣列經(jīng)30單元DEG陣列充電30秒后的存儲(chǔ)能量（部分放電曲線(xiàn)如圖b所示）；d 本工作與文獻(xiàn)25,29,30,32,46中各類(lèi)DEG基SCPS的能量收集功率（儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)能量除以DEG充電時(shí)間）對(duì)比。

三、研究結(jié)論

1. 揭示了底電極面積對(duì)DEG性能的關(guān)鍵影響：底電極面積與水滴最大鋪展面積相當(dāng)時(shí)，可在最大化體電容的同時(shí)最小化寄生電容，顯著提升輸出功率?；谠摪l(fā)現(xiàn)的局部化底電極設(shè)計(jì)，使單個(gè)DEG單元的平均輸出功率達(dá)32.7 μW，較原始DEG提升2.2倍，較文獻(xiàn)報(bào)道最優(yōu)值提升50%。

2. 實(shí)現(xiàn)了高效DEG面板與陣列規(guī)?；桑?單元LBE面板在5 Hz下的總平均功率（77.1 μW）和能量收集效率（49.1 μJ/mL）顯著優(yōu)于傳統(tǒng)GBE面板和文獻(xiàn)報(bào)道；30單元DEG陣列的總平均功率（371.8 μW）和能量收集效率（35.4 μJ/mL）分別是文獻(xiàn)報(bào)道30單元陣列的2倍和3倍以上。

3. 制備了高性能大型MSC陣列：400單元MSC陣列的工作電壓窗口（640 V）和充電速率（2000 V/s）突破現(xiàn)有水平，可有效匹配DEG陣列的不規(guī)則高壓脈沖輸出。

4. 構(gòu)建了無(wú)芯片自充電電源系統(tǒng)：30單元DEG陣列與400單元MSC陣列集成的SCPS，儲(chǔ)能效率達(dá)21.8%，有效能量收集功率達(dá)81.2 μW，是現(xiàn)有同類(lèi)系統(tǒng)的27倍，可驅(qū)動(dòng)LED、濕度計(jì)、計(jì)算器等常見(jiàn)電子設(shè)備，為自然水能的高效收集與實(shí)用化提供了重要解決方案。