基于液体-固体界面的摩擦纳米发电机在能量收集和传感方面的应用进展

黄 滔,覃爱苗,李 铭,郝鑫禹,何炳贤

(桂林理工大学 材料科学与工程学院,广西 桂林 541004)

人类生存的地球约有70%的面积被水覆盖。水作为一种可再生的清洁能源,有多种表现形式,如降水、河流、海浪、潮汐等[1]。目前大型水力发电是通过电磁感应发电机将水能转换成电能,但是这种水力发电只能在高频下进行。实际上,大量低频的水能,如河流、雨滴等仍未得到大规模利用。近年来,王中林教授及其团队[2-3]发明的纳米发电机能有效地收集机械能并转化为电能。与传统的电磁感应不同,纳米发电机是通过压电效应或摩擦效应,采用位移电流作为驱动力,有效地将机械能转换为电能或信号的装置。根据转化形式不同,通常把这两种类型的纳米发电机称作压电纳米发电机(PENG) 和摩擦纳米发电机(TENG)。TENG 在微纳能源、自供电传感、蓝色能量采集、高压电源和扫描探针等方面的应用引起了人们的极大兴趣和广泛关注[4-6]。

液体-固体摩擦电纳米发电机(LS-TENG)就是通过液体和固体摩擦电材料之间的接触带电效应有效地收集机械能,并通过简便的方式转化为电能,例如潮汐能[7]、水滴能[8]等。与固体-固体接触不同,由于液-固摩擦电材料中含有液体材料,其流动性导致摩擦接触面积增加,使界面效应更加明显,因此LSTENG 具有耐磨性、机械耐久性和稳定性等优点[9-11],在能量收集和自供电传感器领域备受关注。本文将从摩擦纳米发电机的工作原理出发,介绍液体-固体界面的摩擦纳米发电机的主要类型、工作模式及其在能量收集和传感器方面的代表性应用进展,并简述了其面临的挑战。

1 接触起电和摩擦纳米发电机

1.1 接触起电

接触起电(也称摩擦电,Contact Electrification,CE)早在2600 年以前就被人们发现并应用,它存在于人们生活中的任何时间、任何地点。尽管这种现象普遍发生,但对摩擦起电机理的理解一直存在争议,至今尚无定论。最近,一些使用开尔文探针力显微镜(KPFM)对纳米尺度的研究表明,固体-固体情况下的接触电荷转移主要由电子转移决定[12-13]。当两种材料相互接触并分离时,电荷会从一个表面转移到另一个表面。接触起电几乎可以在所有固体-固体、液体-固体、液体-液体界面发生,也可能发生在固体-气体和液体-气体界面上(如图1 示意图)[9]。

图1 不同相位之间的接触起电示意图[9]Fig.1 Schematic of the contact electrification between different phases[9]

在微观尺度上,电荷通过不同的途径产生,如摩擦起电。有研究报道,摩擦起电是由两种不同的电荷亲和力的材料接触产生[14-15],各种不同的材料可以通过摩擦电序列进行量化[16],如图2 所示。当物体接触具有正电荷亲和力的材料往往趋向于带正电,而接触具有负电荷亲和力的材料更容易带负电。另外如果两种接触材料之间的电荷亲和力差越大,它们之间产生的摩擦电荷密度将越高。在发电过程中,电荷转移可以通过麦克斯韦经典理论来描述。而TENG 的物理性质是由电势(Φ)、电场(E)、电介质材料的极化(P)和麦克斯韦位移电流(ID)的变化决定的[17]。近年来,考虑到由于压电或摩擦电效应在表面上存在静电荷,王中林教授提出了扩展麦克斯韦方程组,在电位移矢量D中引入极化场Ps来展开和描述,相应的位移电流密度JD由下列公式给出[18]:

图2 摩擦电序列示意图Fig.2 Schematic diagram of the triboelectric series

式中:ε0代表自由空间(真空)的介电常数;ε为材料(或介质)的介电常数;P表示介质中由于电场的存在而产生的极化;Ps表示由于接触带电引起的非电场诱导极化。从公式(2)中可以看出,位移电流由两项组成,第一项是时变电场产生的电流,第二项是表面静电荷极化场引起的电流,而第二项是LS-TENG 的真正理论来源。

1.2 摩擦纳米发电机

在自然界中,能量以多种方式存在,发电机作为一种将其他形式的能量转化为电能的装置,在人类的生产生活中起到了重要作用。与传统的发电机不同,纳米发电机主要通过表面或界面的电荷转移而产生电势差。

摩擦纳米发电机(TENG)是王中林教授于2012 年提出的[19],它可以通过摩擦电效应将机械能高效地转化为电能,基本工作模式有四种[20],分别为: 垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。而根据摩擦纳米发电机的接触面材料状态的不同可分为三类:固体-固体界面、液体-固体界面和液体-液体界面。

固体-固体界面的摩擦纳米发电机主要在低频(通常小于10 Hz)下将机械振动转化为电能[21-23],电能来源于两种摩擦电材料接触表面的电子转移[24]。在液体-固体界面的摩擦纳米发电机中,离子转移和电子转移同时发生,在某些情况下,电子转移甚至占主导地位[25-28],因此电能主要来源于液固界面的电子转移。作为液体-固体纳米发电机的延伸,也出现了液体-液体摩擦纳米发电机,Wang 等[29]设计了一种新型的磁场辅助非接触式液体-液体TENG,由于其减少了TENG 摩擦界面上的摩擦,提高了TENG 传感器的测试精度。

2 液体-固体界面摩擦纳米发电机

2.1 液体-固体界面接触起电

在自然界中有很多物体存在疏水现象,如荷叶、花瓣等。一般来说,物体的疏水性依赖于物体表面的自由能,表面自由能高的固体表面往往是亲水的,而表面自由能低的固体表面更容易表现出疏水性。在过去的数十年间,超疏水界面在生产和生活中已经有了广泛应用,包括自清洁、车窗防雾等[30]。在纳米发电机中,超疏水界面可以降低滑动或滚动角以及液滴的附着力,利用这种特性,可以自动清除覆盖在表面的灰尘杂质颗粒。此外,它也有助于提高物质转移,从而促进纳米发电机中的电荷产生。以LS-TENG 为例,若界面是亲水性的,液体中水分子与固体表面的相互作用较强,大量的液体将留在固体表面,水分子中的氧原子或氢原子更有可能与亲水表面的原子形成共价键,同时表面的电离反应更有可能发生,导致亲水性固体表面产生离子,中和了电极上的摩擦电荷,从而降低了能量转换效率。相反,若是疏水界面,固体表面和水之间的表面电离反应不太可能发生,确保了能量和电荷的高效传递,从而满足了持续收集环境能量的要求[30]。

鉴于液-固界面接触起电的形成机理研究尚未清晰,2018 年,Wang 等[31]同时考虑了电子转移和离子吸附,首次提出了一个混合双电层模型(EDL,简称“王” 氏混合层)。首先,由于液体中的分子和离子的热运动及来自液体的压力冲击固体表面,使固体原子和水分子的电子云发生重叠并导致它们之间的电子发生转移,同时使固体表面上的原子变成离子(图3(a))。第二步,固体表面的离子与液体中的离子发生相互作用,导致界面附近的阳离子和阴离子呈梯度分布,在静电作用下,液体中的自由离子被吸引到带电表面,从而形成EDL(图3(b))[9,32]。

图3 王氏混合双电层模型及其形成的“两步” 过程[9]Fig.3 Wang's hybrid EDL model and the “two-step” process on its formation[9]

实际上,在液固相互作用中,由于电子交换和离子吸附可以同时发生并共存[26-27],其界面上的接触起电将变得更加复杂。而液体-固体界面的饱和电荷密度是决定其性能的关键因素[28]。最近Tao 等[33]发现,在紫外光的照射下,选择含氟聚合物和二氧化硅作为带电材料,液体-固体接触起电的饱和电荷密度可以进一步增加,并提出了一个光激发电子转移模型,解释了紫外光照下液体-固体接触带电的增强现象,如图4 所示。光激发电子转移模型不仅进一步阐明了接确起电在液-固界面的作用机理,而且为提高LSTENG 的性能提供了一种新途径。

图4 (a)液体-固体界面紫外光激发实验示意图;(b)基于电子转移模型的CE 中紫外照射下的电子转移和光激发电子转移[33]Fig.4 (a) Schematic diagram of UV excitation experiment at liquid-solid interface;(b) Electron transfer and photoexcited electron transfer with UV illumination in CE based on electron transfer model[33]

2.2 液体-固体界面摩擦纳米发电机的类型和原理

自TENG 发明以来,早期的TENG 主要基于固体-固体接触,但固体材料具有一定的刚性,在接触时接触面积和接触紧密度会受到一定的限制。与固体-固体界面相比,液体具有流动特性,液-固接触时会具有较高的接触紧密度和较大的接触面积[7]。LSTENG 也具有四种工作模式,分别是接触-分离模式、滑动模式、单电极模式和独立模式,如图5 所示。在接触-分离模式下,绝缘聚合物膜和水作为两种摩擦电材料,在与水接触时,聚合物膜会带负电,同时带正电的EDL 在水面上产生,以保持电中性。随着聚合物膜和水分离,带负电荷的聚合物膜和带正电荷的水在它们之间形成电势差[34](图5(a))。在滑动模式下(图5(b)),液态金属与PTFE 接触时,PTFE 与液态金属的吸电子能力不同,电子被注入PTFE 表面,当PTFE 向上移动时,表面上的摩擦电荷将驱动电子通过外部电路从感应电极移动到液态金属[35]。然而基于接触-分离模式和滑动模式的LS-TENG 有一个缺点,即不能从自由、随机运动的物体中获取能量,而基于单电极模式的LS-TENG 则表现出收集移动物体的能量更容易[36],图5(c)是一个典型的单电极模式的LSTENG,在水滴滴落并冲击聚合物薄膜时即可获取能量。独立模式的LS-TENG 通常设计有一对电极,分别对称地置于薄层电介质之下(图5(d)),当液体沿着TENG 的表面流动时,电介质薄层通过与液体的摩擦和下方电极中产生的感应电荷而充电。随着液体的迁移,感应电荷呈不对称分布,导致电极之间存在电势差。

图5 液体-固体界面的TENGs 的四种模式。(a)接触-分离模式;(b)滑动模式;(c)单电极模式;(d)独立模式Fig.5 The four fundamental modes of the TENGs based on solid-liquid interface.(a) The contact-separation mode;(b) The sliding mode;(c) The single-electrode mode;(d) The freestanding mode

3 液体-固体界面摩擦纳米发电机的应用

由于地球上大部分面积都被水覆盖,并且水是一种可以用于发电、且很有应用前景的替代能源。用水轮机水力发电就是根据法拉第定律将滴落的水或流动水的动能转化为电能的一种发电技术。随着物联网的发展,研究人员正试图开发一些基于液体-固体界面的小型电子设备或自供电传感器[37-38],以同时满足能量采集和电输出的需求。LS-TENG 因其本身的特点,已表现出广泛的应用前景,主要体现在能量收集和传感方面,包括水能收集、可穿戴能量收集、自供电传感器、信号采集以及混合动力等。

3.1 液体-固体界面摩擦纳米发电机应用于能量收集

3.1.1 蓝色能源和水波能量收集

LS-TENG 的应用之一是收集水波能[39-40]和蓝色能源[41]。早在几年前,Chen 等[42]报告了一种利用设计网络来大规模收集水能的摩擦电纳米发电机,即网格纳米发电机(TENG-NW)。TENG-NW 依靠传统聚合物和极薄金属层之间的表面充电效应作为每个TENG 的电极。自然漂浮在水面上的TENG-NW 可将缓慢、随机、高强度的振荡波能量转化为电能。根据测量的单个TENG 的输出功率,预计TENG-NW 在1平方公里表面积上的平均输出功率为1.15 MW。总之,TENG-NW 具有重量轻、成本效益高、环境友好、易于实施、可漂浮在水面等特点,不仅可以用于采集来自海洋的强烈波浪运动,还可以应用于其他各种场景,如湖泊、河流等。TENG-NW 为蓝色能源的采集提供了一条绿色有效路径。

在水波能收集方面,Wei 等[43]设计了一种基于液滴的摩擦电纳米发电机(DB-TENG),它具有简单的开放式结构,并可以在高湿度或高浓度盐、酸或碱溶液的极端条件下稳定工作,仅1.5 mL 液滴驱动的转移电荷(Qtr)、短路电流(Isc)和开路电压(Voc)分别可达到30.7 nC,52 nA 和77 V,表面电荷密度可以达到153.5 μC/m2。在模拟海浪的工作情况下(图6),放大的DB-TENG 可以驱动35 个绿色LED 灯(额定功率为45 mW)。作为一种能量采集器,DB-TENG 收集的波浪能量也可以存储在电容器中供后续使用,一个0.47 μF 的电容器可以在4.1 s 内充电到约4 V。这种简单的开放式结构DB-TENG 具有可观的输出性能和实际应用能力,可用于大规模的水能采集。

图6 模拟海浪中的输出性能[43]。(a)在试验船上按比例放大的DB-TENG 照片(比例尺,6 cm),插图是实际试验装置的照片;(b)演示DB-TENG 作为电源点亮水箱中的LED(插图: 黑暗中的亮灯情况);(c)按比例放大的DB-TENG 给不同电容器的充电曲线;按比例放大的液滴TENG 在模拟海浪下的(d)转移电荷,(e)短路电流和(f)开路电压Fig.6 Output performance in simulated ocean waves[43].(a) Photograph of the scaled-up DB-TENG on a test ship (scale bar,6 cm),the inset is a photography of an actual test device;(b) Demonstrations of the DB-TENG as a power source to light the LEDs in water tank (inset: lighting condition in the dark);(c) The charging curves of the scaled-up DB-TENG for different capacitors;(d) Transferred charges,(e) short-circuit current,and (f) open-circuit voltage of a scaled-up droplet-based TENG in simulated ocean waves

3.1.2 可穿戴式发电

随着人机交互、人工智能的发展,可穿戴技术也正在蓬勃发展,并已成功应用于虚拟现实、可穿戴数字医疗等领域。在这些技术的基础上,研究人员发明了各种多功能可穿戴设备,极大地丰富了人们的生活[44]。目前利用摩擦电纳米发电机来收集可穿戴设备周围的分布式机械能已有报道。

Ye 等[45]报道了一种全织物纳米发电机(FTENG),如图7。该F-TENG 由二氧化硅纳米粒子和聚酯纤维(PVDF-HFP/FDTS)组成,具有良好的疏水性和耐酸碱性能。此外,经过优化组成和结构,该FTENG 在液滴滴落时所输出电压比传统的单电极模式TENG 提高了7 倍,总能量转换效率为2.9%。因此,F-TENG 可用于雨滴能量收集的多功能可穿戴设备,能有效地将水滴能量转化为电能,其输出电压为22 V,输出电荷为7.5 nC。F-TENG 透气性好,疏水且能自修复,转换效率高,在多功能可穿戴设备中具有广阔的应用前景,若与接触分离模式的TENG 结合,可同时获取人体运动机械能和水滴能量。

图7 F-TENG 在水滴能量收集中的应用[45]。(a) F-TENG 在可穿戴水滴能量采集中的应用场景;(b)不同体积的水滴下的F-TENG 的输出电压;(c)不同高度下落的水滴的F-TENG 的输出电压;(d)不同速度下落的水滴的F-TENG 的输出电压;(e)在不同阻值的外接负载下的F-TENG 的输出电流和功率;(f) F-TENG 的电输出稳定性;(g)F-TENG 为各种电容器的充电曲线;(h)为LED 阵列供电的电力输出(插图为由F-TENG 供电的LED 阵列照片)Fig.7 Applications of the F-TENG for water droplet energy harvesting[45].(a) Schematic diagram shows the application scenario of the F-TENG for wearable water droplet energy harvesting;(b) Output voltage of F-TENG with different volumes of water droplet;(c) Output voltage of F-TENG with water droplet at various dropping heights;(d) Output voltage of F-TENG with different dropping velocities of water droplet;(e) Output current and power of F-TENG with different external load resistances;(f) Electric output stability of F-TENG;(g) Charging curves of various capacitors charged by the F-TENG;(h) Electric output to power LED arrays (inset: the photographs of LED arrays powered by F-TENG)

Gang 等[46]提出了一种柔性防水双模纺织摩擦电纳米发电机,它可以同时收集多种“高熵” 动能,包括人体运动、雨滴和风。该发电机将独立式摩擦纳米发电机(F-TENG)和接触分离式摩擦纳米发电机(CSTENG)集成在一起,优化了TENG 的结构参数,提高了输出性能。通过调节接触角度,该装置在1.25 m 高度滴落的雨滴下可以产生约4.3 V 的电压和6 μA 的电流,而人体运动可产生超过120 V 的电压,峰值功率密度约为500 mW/m2。收集的电能可以储存在电容器中,为小型电子设备供电。这种收集雨滴动能和冲击能的织物可穿戴液固界面摩擦纳米发电机在动能收集和自供电电子方面非常具有前景。

3.1.3 其他领域的能量收集

研究人员考虑到各种发电形式的优点和局限,提出了混合动力发电机[47],Zhong 等[48]设计了一种基于石墨烯的二维(2D)混合纳米发电机,在晴天通过捕捉阳光而在雨天通过水流来发电,成功将太阳能和雨滴能相结合,从而达到无论晴天还是雨天,混合动力发电机都能持续输出电能的目的。

Chung 等[49]开发了一种便携式的基于水晃动的摩擦电纳米发电机(PS-EG),如图8(a)所示,由一个含有水的介质容器(全氟烷氧烷,PFA)、一个中心电极和一个外部电极组成。该PS-EG 可产生高电压输出,并实现了针对便携式应用的闭环电路设计和定量分析。当振动频率为2 Hz 时,PS-EG 产生峰值开路电压(Voc)和短路电流(Icc)分别高达484 V 和4.1 mA。该PS-EG 在2 Hz 频率范围下可以有效地用作小型电子设备的辅助电源。

图8 便携式水摇发电机(PS-EG)原理图及电性能[49]。(a)PS-EG 的示意图。PS-EG 的(b)Voc、(c)Icc均方根(RMS)、(d)电压、电流和(e)功率性能Fig.8 Schematic and electrical performance of portable water-sloshing-based electric power generator (PS-EG)[49].(a) Schematic illustration of PS-EG;(b) Voc,(c) root-mean-square (RMS) of Icc,(d) voltage and current,and (e) power performance of PS-EG

液体-固体界面摩擦纳米发电机的另一个新兴应用是用于可植入医疗,基于液体和固体间可以传递和收集能量考虑,Hinchet 等[50]报道了一种薄的可植入性TENG,可以有效收集超声波并通过皮肤和液体来传递机械能,展示了一种能够有效获取机械能的可植入式LS-TENG。

在能量收集方面,LS-TENG 为收集机械能开辟了新路径。它的优势在于时间、天气等因素对其影响小、工作模式丰富,为广泛收集低频能量提供了切实可行的方法。LS-TENG 的应用也并非要取代其他发电形式,而是作为传统发电形式的补充,以提高利用效率,这样对于能源的收集才更具有意义。

3.2 液体-固体界面摩擦纳米发电机应用于传感器

随着物联网的快速发展,越来越多的物体间需要相互通信和追踪。LS-TENG 可通过液-固界面作用输出的电信号与环境中的被测信息建立联系,并获取目标信息。在外部机械等运动的触发下,LS-TENG 可发出电流和电压信号,根据信号的大小和特征,可用于自供电传感、信号采集及化学和环境方面的传感器[51-53]。

3.2.1 自供电传感

Zhao 等[54]制备了一种柔性的液-固接触的网络集成摩擦纳米发电机(Networked Integrated Triboelectric Nanogenerator,NI-TENG),如图9 所示,该NITENG 具有阵列式网络结构,能适应任何不同的水波运动,并产生稳定的电能输出。面积尺寸为100 mm×70 mm 的NI-TENG 在水波高度为12 cm 条件下可产生稳定的13.5 μA 的短路电流和1.03 mW 的功率。同时,其产生的电能可成功地被存储和释放,可用于无线信号传输,为NI-TENG 在自供电无线传感等实际环境中的应用,如常规的海洋水文监测、污染检测、定位和跟踪等方面,提供了一种可能。

图9 网络化集成摩擦纳米发电机(NI-TENG)的结构与性能[54]。(a)NI-TENG 的示意图;(b)可弯曲NI-TENG 图;(c)用于收集水波能量的NI-TENG 驱动无线信号传输的装置;(d)电容器的电压由NI-TENG 充电然后放电,以循环方式为无线信号传输供电Fig.9 Structure and performance of NI-TENG[54].(a)Schematic diagram of a NI-TENG;(b) Picture of a bendable as-fabricated NI-TENG;(c) Setup for driving wireless signal transmission by a NI-TENG that harvests water wave energy;(d) Capacitor voltage as it is charged by the NI-TENG and then discharged to power the wireless signal transmission in a cyclic way

3.2.2 传感的信号采集

在信号采集方面,Yu 等[55]利用液体-电介质界面处耦合的摩擦电和静电感应效应,设计了不规则光栅结构的TENG,通过TENG 采集雨滴的随机特性,从自然界收集随机信号。图10 为水滴触发后RNG 的典型输出信号。实验表明,TENG 可以精确提取水滴在自身功率下的随机特征,并以此作为产生随机数的来源,根据推导出的数字序列的统计特性、自相关性和重复性的系统研究表明,由该随机数发生器产生的随机数具有可信的随机性。该研究提供了一种低成本、实用、有效的生成真随机数的方法,可广泛应用于密码协议、数字签名、认证、身份识别等信息安全领域。

图10 水滴触发后RNG 的典型输出信号[55]。(a～c)当TENG 被不同位置的单个水滴触发时,自供电RNG 产生的电信号如插图所示;(d)由水滴触发生成器的结果Fig.10 The typical output signal of the RNG after being triggered by water drops[55].(a-c) The electrical signals generated from the self-powered RNG when TENG was triggered by single water drop at different positions as shown in the inset photo;(d) The result of the generator triggered by water drops

Sun 等[56]组装了一种以新型聚苯胺和聚偏氟乙烯纳米线为基础的摩擦纳米发电机(NW-TENG),并形成两个自供电静电操纵系统(EMSs)。TENG 输出信号的变化会影响电场的强度、形式、频率等参数,并由于力的变化而产生不同的液滴运动行为,利用TENG的交变电场实现宏观带电液滴的往复运动。结果表明,液滴的运动周期比普通直流稳压电场短(从7.30 s 到3.67 s),且未发生电击穿,是一种控制微液滴在液体环境中运动行为的新方法。

3.2.3 化学和环境方面的传感

LS-TENG 还在化学和环境方面有一定的应用,如液体浓度检测[57]、环境温度湿度测试[58]、金属阴极保护[59]以及用于临床实时的输液监测[60]等。在化学生产作业中常需要对腐蚀性流体进行实时监测,Ma等[61]制备了一种基于全纤维单电极TENG 纱的智能化学防护服,该防护服带有生物运动能量采集和自动安全监控系统,检测突然发生的化学泄漏,监控人类实时生活信号,并在紧急情况下触发警报,保护人体免受化学伤害。Sun 等[59]利用聚四氟乙烯超滤膜作为摩擦层构建了一种LS-TENG 阵列组合。在质量分数3.5%NaCl溶液中实现了A3 碳钢的自供电防腐,通过并联或串联电路设计,可以实现对金属材料更有效的阴极保护。

Li 等[58]采用对温度敏感的聚己内酯材料包覆氟化氧化铝制备新型温度响应LS-TENG,可用于人体温度监测。该装置被安装在手臂上用于人体温度的检测,为人们提供便携快捷的测温方法。同时在LS-TENG中,输出性能的变化与材料湿度的变化趋势一致[58],随着湿度的变化,摩擦层材料的化学性能发生变化,从而影响摩擦起电,因此LS-TENG 可以作为一种自供电的传感器来监测材料的湿度变化。

4 结语与展望

TENG 是通过收集各种不同形式的机械能转化为电能的装置,在“物联网时代” 扮演着一个重要角色。LS-TENG 作为TENG 中的一种类型,其具有成本低、环境友好、易于实施和多功能应用等特点,在能量收集和自供电传感等方面发挥着不可替代的作用。本文综述了近年来关于LS-TENG 的发电机理、主要类型和结构组成,介绍了LS-TENG 在能量收集和传感方面的主要代表性应用。在LS-TENG 的未来发展中,从分子和原子水平上研究液体和固体之间接触带电的物理机理并拓展其应用领域将是研究热点。将材料的选择与结构设计相结合,有望成为进一步优化LS-TENG 用于液体能量收集和传感的有效途径。

在近几年的研究中,LS-TENG 取得了一定进展,但仍有一些问题有待进一步解决。例如,液体-固体界面对电荷产生和转移的基本机理还有待深入探讨。LS-TENG 的性能优化还有待提高。首先在结构方面,独特的材料结构能有效地增加LS-TENG 的输出功率,通过优化材料和表面形貌可以提高LS-TENG 表面电荷密度,但提高有限;其次,其平均功率相对较低,大规模应用还具有挑战;最后从本质上来说,器件的制备和材料的选择与它们的应用场景密不可分,因此,无论是已经大规模研究的LS-TENG 器件,还是研究人员准备开发的新器件,最终目的应该是能够解决更多相关领域的实际问题,因而设计具有较高稳定性的LS-TENG 也非常重要,实现在现实环境中的应用还有较长的路要走。