清华大学机械系赵景山长聘副教授团队通过优化直流摩擦电纳米发电机（DC-TENG）的器件结构和实验材料，成功实现了超高的开路电压。这一成果为高压电源技术提供了一种解决方案。

传统的高压电源通常依赖于结构复杂的升压模块，这导致其难以实现小型化和便携化，同时伴随着巨大的安全风险。近年来，基于摩擦起电和静电击穿的DC-TENG因其（i）主要利用静电荷对外输出，以及（ii）在构型上形成容值极小的电容器的特点，在理论上展现了显著的高电压与低电流的输出特性。因此，在用作高压电源时，DC-TENG具有体积小和安全性高的优点。然而，尽管从工作机制上来看，DC-TENG具备产生高电压能力，但是目前相关研究尚处于起步阶段，其理论模型和电压上限等关键问题仍待探讨。

通过深入分析DC-TENG的多域放电特性，研究团队对其开路状态下的输出特性进行了系统的表征和分析。首先，对各个放电域的状态进行理论分析，抽象出开路状态下的等效电路，确定最大输出电压将在第一域（收集电极-摩擦层）击穿且第二域（摩擦电极-摩擦层）不击穿时达到；其次，根据理论分析，在实验中对各个参数进行优化，并通过对第二域填充电介质材料提高其静电击的阈值，抑制第二域击穿；随后，对具体的制备工艺进行优化，最终在4 cm×1.5 cm×0.4 cm尺寸大小的实验器件上实现了10.85 kV的超高电压，并在真实的高压场景中展示了优异的工作性能。此外，输出电压与两个电极之间的间距具有良好的线性关系，说明输出电压仍有进一步提高的潜力。同时，基于理论推导和实验数据分析，研究团队总结出DC-TENG电压的三个关键限制因素：摩擦材料对能够产生的最大电压、第三域击穿的电压和电荷泄露导致的充漏平衡电压。文章结论为进一步提升DC-TENG的输出电压、全面释放其高压潜力提供了理论基础和数据支持，为实现便携安全的高压源提供了新方案。

图1. 直流摩擦纳米发电机的等效电路、输出性能和高压应用

上述研究成果近日以“An ultra-high voltage (>10 kV) direct-current triboelectric nanogenerator realized by structural and material optimizations”为题，发表于《Nano Energy》期刊。清华大学机械工程系博士研究生张家悦为文章的第一作者，清华大学赵景山长聘副教授和北京纳米能源与系统研究所王杰研究员为通讯作者。