研究背景

无线电子设备的普及推动了对自充电能源系统的迫切需求。摩擦纳米发电机可将环境机械能转化为电能，但其输出的高频短脉冲交流电与低频响应的传统超级电容器存在频域失配，导致储能效率低下。现有研究多聚焦于优化TENG输出或依赖外部电路转换交直流，却未解决储能端与收集端频率特性协同的核心问题。超级电容器特征频率与摩擦纳米发电机脉冲持续时间的乘积直接决定储能效率，其值越大，能量捕获能力越强。该机制通过协同调控收集端与存储端频域特性，解决了“高频收集-低频存储”矛盾，为可穿戴设备、自驱动传感器等提供了免电路优化的高效储能方案，同时为自供电系统的多物理场协同设计提供了理论支撑，推动高频响应能源技术向实用化迈进。

Pulse-Charging Energy Storage for Triboelectric Nanogenerator Based on Frequency Modulation

Kwon-Hyung Lee, Min-Gyun Kim, Woosuk Kang, Hyun-Moon Park, Youngmin Cho, Jeongsoo Hong, Tae-Hee Kim, Seung-Hyeok Kim, Seok-Kyu Cho, Donghyeon Kang, Sang-Woo Kim, Changshin Jo & Sang-Young Lee

Nano-Micro Letters (2025)17: 210

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01714-3

本文亮点

1. 提出基于频率响应的系统级策略，实现摩擦纳米发电机-超级电容器混合器件高效充电。

2. 揭示超级电容器高频特性与摩擦电脉冲持续时间的协同提升机制。

3. 三维空心MXene电极使超级电容器充电效率较传统器件提升两倍。

内容简介

韩国延世大学Sang-Young Lee等人提出一种基于频率响应设计的系统级策略，用于提升摩擦纳米发电机(TENG)-超级电容器(SC)混合器件对短脉冲电能的高效存储。与传统研究孤立优化TENG输出或储能效率不同，本研究首次揭示了SC电化学特性与TENG频率依赖性充电行为的直接关联：传统SC因低频(<1 Hz)直流(DC)运行特性与TENG高频(~kHz)交流(AC)短脉冲输出失配，导致储能效率低下。通过开发三维空心结构MXene(h-MXene/C)作为高频SC电极材料，赋予SC高频响应特性，使其对TENG脉冲电流的捕获能力显著增强，混合器件充电效率较传统碳基SC提升两倍。研究发现，SC特征频率(fSC)与TENG脉冲持续时间(ΔtTENG)的乘积(fSC·ΔtTENG)与储能效率呈正相关，其数值增加可有效促进TENG电能的存储。这一发现通过频率响应工程实现了“高频收集-高频存储”的范式革新，为自供电能源系统的集成化发展开辟了新路径。

图文导读

I 高频超级电容器设计策略

针对传统超级电容器(SC)与摩擦纳米发电机(TENG)因频域特性失配导致的储能效率低下问题，本研究通过调控SC特征频率(fSC)与TENG输出脉冲持续时间(ΔtTENG)的协同作用(图1a)，提出高频SC设计策略。采用三维空心结构MXene(h-MXene/C)作为高频SC电极材料(图1b)，其显著提升的频率响应特性(图1c)使TENG-SC混合器件充电效率较传统碳基SC提升两倍(图1d)。研究发现，储能效率与fSC·ΔtTENG乘积呈正相关，且无需依赖传统混合系统中必需的阻抗匹配。这一突破揭示了高频响应工程在提升自供电系统能量捕获能力中的核心作用，为自驱动传感器、可穿戴/生物医学设备等下一代技术的高效储能设计提供了理论依据，推动高频能量存储技术向实用化发展。

图1. 高频超级电容器(SC)与摩擦纳米发电机(TENG)协同实现高效充电。a 展示TENG与高频SC之间电化学相互作用的示意图。b 三维空心结构MXene/C(h-MXene/C)的制备原理示意图。c h-MXene/C电极对SC频率特性的提升作用示意图。d 传统SC与h-MXene/C基SC的充电效率对比图。

II 空心MXene/C电极材料实现超级电容器高频响应性能提升

超级电容器(SC)的频率响应受电极材料导电性、界面电阻及孔隙结构等因素影响(图2a)。为提升SC的高频响应与电容性能，本研究以聚苯乙烯微球为造孔碳源，成功合成碳基三维空心结构MXene(h-MXene/C)电极材料。SEM/TEM(图2b)与压汞法(图2c)证实其具有贯通孔隙(~2 μm)和空心结构，该结构通过PS微球包覆MXene纳米片并经500°C热解形成。TGA分析(图2d)显示h-MXene/C在400℃以上发生碳层分解，而XPS(图2e)揭示其表面碳层包含C–C、COO及CHₓ/CO键，且MXene核心的Ti–C键得以保留(Ti 2p谱)。尽管热处理导致部分MXene氧化为TiO₂，但碳层的引入显著增强了结构稳定性。TEM-EELS进一步验证了碳层与MXene的复合结构，该结构有利于电解液渗透与电子快速传输，为高频储能奠定基础。

基于h-MXene/C与导电粘结剂PEDOT:PSS的协同作用(静电相互作用诱导PEDOT结构转变)，制备的SC电极展现出优异电化学性能。EIS分析(图2f)表明h-MXene/C的等效分布电阻(EDR)仅为2.2 Ω(p-MXene为9.3 Ω)，归因于其三维贯通孔道促进离子迁移。CV与倍率测试(图2g,h)显示h-MXene/C在10,000 Hz高频下面电容达3.2 mF cm⁻2，显著高于p-MXene(0.8 mF cm⁻2)，且倍率性能提升约40%。恒流充放电(GCD)曲线在1.0–10 μA cm⁻2范围内呈线性，证实其双电层主导的快速储能机制。此外，h-MXene/C在8,000次循环后电容保持率达95%，满足TENG-SC混合器件高频充放电需求。这些结果证明h-MXene/C通过优化孔隙结构与界面特性，实现了高频响应与高储能效率的协同提升。

图2. 空心MXene/C电极材料实现超级电容器高频响应性能提升。a h-MXene/C颗粒合成工艺示意图。b h-MXene/C颗粒的扫描电镜(SEM)形貌图。c 压汞法测定的h-MXene/C颗粒孔径分布。d h-MXene/C与原始MXene(p-MXene)在空气中的热重分析(TGA)曲线。e h-MXene/C与p-MXene的X射线光电子能谱(XPS)分析(C 1s与Ti 2p轨道)。f h-MXene/C与p-MXene基超级电容器的奈奎斯特(Nyquist)阻抗谱。g h-MXene/C与p-MXene基超级电容器的频率依赖性面电容。h h-MXene/C与p-MXene基超级电容器在不同扫描速率下的倍率性能。

III 基于空心MXene/C构建高效可充电的超级电容器-摩擦纳米发电机混合器件

通过电化学阻抗谱(EIS)分析(图3a)，h-MXene/C基超级电容器(SC)的特征频率(fSC，相位角-45°对应频率)达3548 Hz，较传统碳基SC(fSC=39 Hz)提升两个数量级，其弛豫时间缩短至0.38 ms(传统SC为128 ms)，表明其高频响应与快速电化学动力学优势。基于此，将h-MXene/C SC与摩擦纳米发电机(TENG)结合，在无阻抗匹配电路条件下进行充电测试(图3b)。实验显示，h-MXene/C SC在3/5/7 Hz振动频率下的有效库仑效率(η)分别达53.0%、70.7%和78.1%，较传统SC提升1.46–1.95倍(图3c)，且在25–70°C范围内保持稳定。串联三组h-MXene/C SC单元可为LED供电，充电时间较传统SC缩短50%(图3d)，验证其高效储能能力。进一步与旋转式TENG(rTENG)集成时，充电时间减少13.6%，展现其对不同TENG类型的普适性。

研究证实频率响应设计策略具有材料普适性：所有特征频率fSC>1 kHz的高频SC材料在TENG-SC混合装置中均表现出更高的有效库仑效率，表明该策略不依赖特定电极材料。此外，h-MXene/C SC在60 Hz交流线路滤波中展现出优异频率特性，可平滑交流电压波动，拓展了其在电力电子领域的应用潜力。这些结果表明，通过提升SC的fSC与TENG脉冲持续时间(ΔtTENG)的协同作用，能够突破传统“高频收集-低频存储”的瓶颈，为自供电系统的高效能量管理提供了通用设计准则。

图3. 空心MXene/C基SC-TENG混合器件实现高效充电。a h-MXene/C SC与碳基传统SC的Bode图对比。b TENG-SC混合器件实验装置示意图。c TENG-SC混合器件有效库仑效率随ΔtTENG变化的函数关系(h-MXene/C SC vs. 传统SC)。d TENG-SC混合器件驱动LED的实时电压曲线，插图为充电285秒后器件状态对比(h-MXene/C SC vs. 传统SC)

IV 基于模型超级电容器的频响协同调控与摩擦电脉冲优化实现短脉冲能量高效存储

为系统解析超级电容器(SC)频率特性(fSC)与摩擦纳米发电机(TENG)脉冲持续时间(ΔtTENG)对混合器件充电效率的影响，本研究通过调控电极导电性(73.3–2.1 S cm⁻1)、厚度(1.2–15.2 μm)及孔隙率，制备了高(High-SC, fSC=1.6 kHz)、中(Mid-SC, 0.3 kHz)、低(Low-SC, 0.1 kHz)三组模型SCs(图4a)。奈奎斯特谱分析(图4b)表明，High-SC因高导电性与超薄电极(1.2 μm)展现出最低等效串联电阻(ESR=2.6 Ω cm⁻2)和等效分布电阻(EDR=2.3 Ω cm⁻2)，其弛豫时间常数(τ₀=1.2 ms)较Mid-SC(12 ms)和Low-SC(18 ms)显著缩短。通过并联模型SCs确保电容一致后，充电动力学原位监测显示：High-SC在3 Hz振动频率下充电速率最快，储能能量(V×Q)随时间增长显著高于低频SCs(图4c,d)，验证了fSC对充电效率的主导作用。

进一步定义ΔtTENG为TENG输出电流超过均方根值的时间窗口(图4e)，通过调节振动频率(ΔtTENG=6.7–21 ms)，发现延长ΔtTENG可提升有效库仑效率(η)(图4f)。例如，当fSC=0.1 kHz时，ΔtTENG从6.7 ms增至20.7 ms，η从38.5%提升至46.4%；当fSC=1.6 kHz时，η从68.3%增至80.2%。关键发现表明，η与fSC·ΔtTENG乘积在对数尺度上呈线性正相关(图4g)，揭示了“高频SC+长脉冲TENG”协同提升储能效率的普适机制。该研究通过量化频率响应参数(fSC)与能量脉冲特性(ΔtTENG)的乘积效应，为自供电系统的高效能量管理提供了可扩展的设计框架。

图4. 基于模型超级电容器(SC)的频响调控与TENG脉冲优化实现短脉冲能量高效存储。a 模型SCs的Bode图对比(右侧附电极截面SEM图像)。b 模型SCs的Nyquist阻抗谱。c 模型SCs存储电荷量及充电速率随充电时间变化的原位监测。d 模型SCs存储能量及充电速率随充电时间变化的原位监测。e 不同振动频率下TENG输出电流波形及对应ΔtTENG值。f 模型SCs有效库仑效率(η)随ΔtTENG与fSC变化的函数关系。g TENG-SC混合器件有效库仑效率随fSC·ΔtTENG乘积变化的对比(所有数据基于10秒TENG充电后测量)。

V 总结

本研究通过开发高频响应超级电容器(SC)实现了与摩擦纳米发电机(TENG)的高效能量存储协同，其核心创新在于：1)合成具有三维空心碳支撑结构(h-MXene/C)的电极材料，其SC特征频率(fSC)达3548 Hz，较传统碳基SC(39 Hz)提升两个数量级，充电效率翻倍；2)揭示关键参数fSC·ΔtTENG(SC特征频率与TENG脉冲持续时间乘积)对储能效率的线性调控机制，证明通过匹配高频SC与长脉冲TENG可最大化充电效率；3)提出该频率响应设计具有普适性，不仅适用于h-MXene/C体系，还可拓展至其他高频SC(如交流滤波电容器)。该成果突破了传统混合器件中“高频收集-低频存储”的瓶颈，为自供电传感器、可穿戴设备等需应对瞬态能量管理的系统提供了通用化设计框架，推动自驱动能源技术向高效集成化发展。

作者简介

Sang-Young Lee

本文通讯作者

韩国延世大学 教授

▍主要研究领域

柔性储能关键材料和器件。

▍主要研究成果

韩国延世大学(Yonsei University)教授，韩国国家工程院院士。博士毕业于韩国科学技术院，随后在德国马克斯·普朗克高分子研究所从事博士后研究工作，现任韩国延世大学电池研究中心的主任。Sang-Young Lee教授的研究兴趣主要集中在柔性储能关键材料和器件，具体包括高面容量电极设计与实现(湿法/干法电极制备技术和无负极电池技术)，电解质材料开发(液体/聚合物电解质结构设计以及具有离子选择性传导能力的电解质体系)和微型电池的纳米打印制备技术。迄今为止， Sang-Young Lee 教授在 Nat. Commun., Sci. Adv., Energy Environ. Sci., JACS, Angew. Chem. Int. Ed. 和 Adv. Mater. 等高水平期刊上共发表了超过 190 篇论文，H-index为 65，累计被引高达 13000 余次，曾获得过包括“十大纳米技术”，“科研成果百强”和“五十大基础研究奖”在内的多项国家级荣誉。

▍Email：syleek@yonsei.ac.kr

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自纳微快报科学网博客。

链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3411509-1485723.html?mobile=1

收藏

分享