一、研究背景

水能作为地球上储量丰富的可再生资源，可通过雨滴、河流、海浪等自然水体的机械运动产生可持续能源。近年来，多种水能收集技术应运而生，包括电磁采集器、电活性聚合物采集器、湿度发电装置以及液-固摩擦纳米发电机（TENGs）等。其中，液滴基发电机（DEGs）凭借其结构简单、成本低廉和功率密度高的优势，受到广泛关注。

DEG利用下落的水滴撞击摩擦电聚合物，铺展的水滴能有效收集聚合物表面的摩擦电荷，产生瞬时（脉冲式）电能，其峰值功率密度可达约50 W/m²，平均功率密度约50 mW/m²。由于几乎完全由聚合物（无金属、耐腐蚀）材料制成，DEG在海洋波浪能等液压动力新兴领域具有替代传统电磁发电机的巨大潜力——海洋恶劣环境会导致金属电磁发电机严重腐蚀，大幅增加维护成本。

自2020年发明以来，研究人员已开发多种方法改善DEG的单元级输出性能，但目前大多数进展仅局限于调制单个DEG的输出脉冲形式，至关重要的能量收集性能指标——有效（平均）功率密度，尚未有突破原始50 mW/m²的报道。如同太阳能电池到太阳能电池板的发展，DEG实用化的关键步骤是将单个单元规模化集成，形成大型DEG面板和阵列以获取足够的总输出功率，但规模化过程面临三大关键挑战：

1. 单元间干扰问题：普通DEG输出交流电，原则上每个单元需配备全波整流器将交流电转换为直流电，避免单元间破坏性干扰，这显著增加了制造和维护的复杂性与成本。
2. 面板级寄生电容导致性能退化：传统DEG面板的寄生电容会导致规模化后性能大幅下降，甚至低于单个单元性能。
3. 不规则高压脉冲电能存储效率极低：DEG产生的高压瞬时脉冲电能难以被传统储能器件有效存储，存储效率通常低于2%，现有功率管理策略难以适配大型DEG阵列的不规则输出。

低储能效率与未达实用化的输出功率，成为大型DEG阵列用于自然水能收集的关键瓶颈。

二、研究内容

1. 液滴基发电机单元优化：局部化底电极设计

研究发现，DEG的底电极具有双重作用：足够大的底电极面积是最大化铺展水滴与底电极间体电容（C_B）、保证高输出功率的必要条件，但过大的底电极面积会显著增加电路中的寄生电容，从而降低输出功率。因此，当底电极面积与撞击水滴的最大铺展面积（S_D,max）相当时，DEG输出功率达到最大值。

基于该发现，将全局底电极（GBE）改为面积优化的局部化底电极（LBE），无需额外电路设计，即可在不显著降低体电容C_B的前提下，有效抑制寄生电容的不利影响。优化效果如下：

• 单个LBE-DEG单元的平均输出功率密度从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。
• 优化负载电阻后，单个LBE-DEG单元的最大输出功率达32.7 μW。
• 去离子水驱动的LBE-DEG具有良好稳定性，连续运行8小时后仍保留72%的初始输出功率，性能退化可通过简单清洁完全恢复。
• 该优化效果适用于多种测试条件和液体特性，最优性能始终出现在底电极面积接近水滴最大铺展面积时。

图 | 局部化底电极（LBE）DEG单元优化。a LBE-DEG单元的示意图和简化电路模型（包含体电容C_B、器件诱导寄生电容C_P,D和电路诱导寄生电容C_P,C）；b 不同电极设计（全局底电极GBE重叠顶电极、GBE不重叠顶电极、LBE）的DEG单元输出电压；c 不同底电极面积（S_BE）的LBE-DEG单元输出电压；d 不同S_BE的DEG单元横截面有限元法（FEM）模拟电势分布；e 体电容和寄生电容随S_BE的变化（灰色阴影区为S_BE等于水滴最大铺展面积S_D,max，体电容与寄生电容差值最大）；f 不同S_BE的DEG单元峰值电压（V_peak）和平均输出功率（P_RMS）；g 原子力显微镜（AFM）图像显示（i）PTFE膜和（ii）玻璃片的表面粗糙度；h PTFE和玻璃的体电容（C_B）随底电极面积的实验与模拟结果；i 近年来DEG单元的平均输出功率（P_RMS）和能量收集效率（E_V）对比12,23,25。

2. DEG面板规模化集成

单整流器DEG面板将多个DEG单元集成在同一基板上，共享顶电极、底电极和整流器，是规模化制造的理想结构。LBE设计可有效缓解传统GBE面板的能量损失问题：

• LBE面板的底电极总面积需接近单元数量（n）与单个单元最优底电极面积（S_Cell）的乘积（S_Panel = n×S_Cell）。
• 低频（f=1 Hz）下，LBE面板的总平均功率随单元数量n（n≤6）成比例增长；高频（f=5 Hz）下，功率仍随n（n≤5）近似成比例增长，5单元LBE面板在5 Hz下功率达77 μW，是相同条件下GBE面板的4倍。
• LBE面板的输出脉冲周期更短，能容纳更多单元而不产生显著电干扰，单元数量上限从GBE面板的3个扩展至LBE面板的5-6个。

5单元LBE面板在5 Hz下的总平均功率（77.1 μW）是相同条件下5单元GBE面板的3.9倍，是文献报道最优DEG面板的2.5倍；能量收集效率（49.1 μJ/mL）是文献报道值的4.2倍。多个LBE面板可通过导线并联连接，输出性能与相同总单元数的大型LBE面板相当，为大型DEG面板阵列的设计和制造提供灵活性。

图| DEG面板设计与输出性能。a 5单元优化LBE-DEG面板的示意图；b GBE和c LBE DEG面板的平均输出功率随工作单元数量的变化；d 单个DEG单元在GBE和LBE面板上的归一化输出电压（V/V_peak）与归一化时间（(t-t_on)/τ）关系（t_on为脉冲起始时间，τ为电弛豫时间）；e 优化后的5单元LBE-DEG面板在频率f=5 Hz下的输出电压；f 优化后的单个LBE-DEG单元在f=25 Hz下的输出电压。

3. DEG阵列规模化集成

将6个5单元LBE面板（共30单元）集成在同一基板上（倾斜45°），经整流后并联连接，形成30单元DEG阵列：

• 所有面板在5 Hz撞击频率下产生相似输出电压，表明LBE-DEG面板的性能可扩展性。
• 30单元DEG阵列的总平均功率达371.8 μW，是文献报道30单元DEG阵列的两倍以上。
• 总能量收集效率E_V达35.4 μJ/mL，是文献报道值的3倍以上，与多数文献报道的单个DEG单元效率相当。

图 | DEG面板阵列设计与输出性能。a 由6个LBE-DEG面板（标记为P1-P6）组成的DEG面板阵列示意图；b 6个独立面板（每个包含5个DEG单元）的电压-时间曲线；c 30单元（每面板5个单元×6个面板）DEG面板阵列的平均输出功率（P_RMS）随面板数量的变化；d 不同DEG单元、面板和阵列的能量收集效率（E_V）和平均输出功率（P_RMS）对比12,23,25,30,32。

4. 大型微型超级电容器（MSC）阵列制备与集成

为有效存储30单元DEG阵列产生的强不规则高压脉冲电能（峰值电压>400 V），通过直接墨水书写（DIW）与激光刻蚀相结合的方法，在陶瓷基板上制备400单元MSC阵列：

• 导电有机墨水由PEDOT:PSS和EEG组成，可打印厚度>10 μm的大面积均匀电极膜，经激光刻蚀形成20行×20列的叉指结构MSC阵列，通过开关实现串联充电与并联放电切换。
• 400单元MSC阵列的工作电压窗口达640 V，充电速率高达2000 V/s，显著优于文献报道的MSC阵列。
• 100单元子阵列在160 V电压窗口内表现出低阻抗和高倍率性能，循环稳定性良好（2000次循环后电容保留率约78%）。

图 | MSC阵列的制备过程与电化学测试。a MSC阵列的制备流程示意图（DIW：直接墨水书写，PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯）；b （i）MSC阵列电极、（ii, iv）单个MSC单元的照片，以及（iii）顶视图和（v）横截面视图的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）基电极扫描电子显微镜（SEM）图像；c 100单元MSC子阵列在不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；d 100单元MSC子阵列在不同电流下的恒流充放电（GCD）曲线；e 本工作与近年文献39-41中不同MSC阵列的总工作电压窗口与单元数量关系。

将30单元DEG阵列与400单元MSC阵列集成，构建无芯片自充电电源系统（SCPS），采用“串联充电、并联放电”策略：

• 储能效率（ESE）达21.8%，是文献报道30单元DEG阵列+商用电容器系统的11倍，接近TENG+商用芯片定制电路系统的效率，且无需任何额外电子元件或电路设计。
• 系统有效能量收集功率达81.2 μW，是现有同类系统的27倍。
• 实用化验证：30秒充电后，400单元MSC阵列可驱动LED持续发光60秒；采用模拟雨水驱动时，仍能有效存储能量并驱动电子设备。

图 | 自充电电源系统（SCPS）核心概念。a 大型液滴基发电机（DEG）阵列与大型微型超级电容器（MSC）阵列集成的自充电电源系统示意图（PTFE：聚四氟乙烯，LED：发光二极管）；b 30单元DEG面板阵列的不规则高压输出；c 100单元MSC子阵列的快速充放电性能（100 V/s扫描速率下的循环伏安（CV）曲线）；d 本系统与其他系统25,30,33（包括摩擦纳米发电机（TENGs）系统）的储能效率对比。

图 | 基于大型DEG阵列与MSC阵列集成的自充电电源系统（SCPS）。a SCPS关键组件照片（左：30单元DEG阵列，中：6个整流器，右：400单元MSC阵列）及电路设计（S_s,i、S_pa,i和S_pb,i (i=1,2,...,9)为控制MSC阵列连接配置的开关，未标记比例尺为2 cm）；b 不同“m_pP×m_sS”配置的MSC阵列经30单元DEG阵列充电30秒后，在5 μA电流下的放电曲线（m_p为并联组数量，m_s为每组串联单元数量）；c 不同工作单元数量的MSC阵列经30单元DEG阵列充电30秒后的存储能量（部分放电曲线如图b所示）；d 本工作与文献25,29,30,32,46中各类DEG基SCPS的能量收集功率（储能元件存储能量除以DEG充电时间）对比。

三、研究结论

1. 揭示了底电极面积对DEG性能的关键影响：底电极面积与水滴最大铺展面积相当时，可在最大化体电容的同时最小化寄生电容，显著提升输出功率。基于该发现的局部化底电极设计，使单个DEG单元的平均输出功率达32.7 μW，较原始DEG提升2.2倍，较文献报道最优值提升50%。
2. 实现了高效DEG面板与阵列规模化集成：5单元LBE面板在5 Hz下的总平均功率（77.1 μW）和能量收集效率（49.1 μJ/mL）显著优于传统GBE面板和文献报道；30单元DEG阵列的总平均功率（371.8 μW）和能量收集效率（35.4 μJ/mL）分别是文献报道30单元阵列的2倍和3倍以上。
3. 制备了高性能大型MSC阵列：400单元MSC阵列的工作电压窗口（640 V）和充电速率（2000 V/s）突破现有水平，可有效匹配DEG阵列的不规则高压脉冲输出。
4. 构建了无芯片自充电电源系统：30单元DEG阵列与400单元MSC阵列集成的SCPS，储能效率达21.8%，有效能量收集功率达81.2 μW，是现有同类系统的27倍，可驱动LED、湿度计、计算器等常见电子设备，为自然水能的高效收集与实用化提供了重要解决方案。