近日，南京航空航天大学郭万林院士团队的张助华教授课题组结合高速摄影与多物理场仿真，揭示具有两个电极的滴水发电器件超高电压的产生机制，建立输出电信号与器件几何尺寸、水滴运动相关参数的解析关系，并通过器件的优化设计将输出电压提升至1030V，能量转换效率提升至3.3%。该研究成果以“Dynamical Mechanism for Reaching Ultrahigh Voltages from a Falling Droplet”为题发表在Advanced Functional Materials上。

     作者首先通过高速相机对水滴在不同位置撞击发电器件表面时的铺展、与上电极接触和收缩过程的动力学行为进行实验观察，并同步记录器件输出的电信号（图1a）。通过将水滴与上电极的接触长度（l）、表面的接触面积（S）与记录到的电压（U）及其对应的电荷转移量（q）进行对比，作者发现电压 U 正相关于 l 的变化速率，也就是 dl/dt（图1b、c）。利用从多物理场仿真结果中得到的电荷在两个电极上的分布规律（图1d），作者建立模型，将分布在上电极的电荷量随时间的变化表达为由 l、S、装置中聚合物的厚度、相对介电常数、表面电荷密度，水滴盐浓度等参数组成的函数。作者使用模型预测不同撞击位置下的电信号，结果与实验测量一致（图2）。参数扫描结果表明，表面电荷密度、聚合物厚度、外电阻、水滴盐浓度和 dl/dt（与撞击点到上电极的距离 px、装置倾斜角度 α 相关）对电信号有显著的影响，并得到了实验验证（图3）。通过优化上述参数，作者显著提高了输出电压以及能量转换效率（图4）。

    该研究揭示了滴水发电器件产生超高电压的机制，同时也为理解、探究、实现其它高效利用水中机械能的水伏装置提供了新的思路。

图1：当水滴撞击在具有两个电极的滴水发电器件表面并与上电极接触时，一个电信号在两个电极之间产生。（a）实验装置示意图，左上角的插图为接触线附近的xz截面，阐明了滴水发电的机制。（b、c）在撞击距离（px）为 5.5 mm 和 0.8 mm 时，测量的电信号（U）和接触线长度（l）的变化速率（dl/dt）随时间的演化，插图为相应情况下，电荷转移量（q）与 l 随时间的演化。（d）模拟出的无量纲化表面电荷密度（σ/σ0）在两个电极上的分布，红色为正电荷，蓝色为负电荷。

图2：使用模型预测的和实验测量的 U 和 q 的对比。实验装置在（a-d）中水平放置（α=0°），在（e、f）中与水平面夹角为 45°（α=45°）。撞击点到上电极的距离（px）在（a、b）中为 5.5 mm，在（c、d）中为 0.8 mm。

图3：通过调整关键参数优化输出电压峰值（Umax）和能量（E）。（a-e）上电极直径（dt）、表面电荷密度（σ0）、聚合物厚度（lp）、外电阻（R）和盐浓度（c）对 Umax 的影响。（f）R 对 E 的影响，蓝色和红色曲线分别为原始结果和优化后的结果。

图4：使用优化参数输出了超高电压。（a、b）使用优化参数时，外电阻（R）对输出电压峰值（Umax）和能量（E）的影响。（c）使用优化参数时，模型预测的与实验测量的电信号的对比。

张宏波博士为该论文第一作者，郭万林院士、张助华教授与薛敏珉博士为共同通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等资助，部分计算在南京航空航天大学高性能计算中心完成。

论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202315912