摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，TENG）基於摩擦起電和靜電感應，可將各種機械能轉化為電能，在物聯網、可穿戴器件、自驅動傳感，生物醫學、藍色能源等諸多方面具有重要的應用。表面摩擦電荷密度對於摩擦納米發電機的性能至關重要，一般實現的電荷密度均在250μC/m2以下，低電荷密度使得高功率摩擦納米發電機研究一直難以突破。中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士領導的研究團隊於2018年首次提出了電荷泵浦（Charge pumping）的策略，通過泵浦產生約束電荷，基於接觸分離式摩擦納米發電機實現了1020μC/m2的電荷密度，突破了一般的認知，達到了通常認為在大氣環境下無法達到的超高電荷密度，向實用化的高功率器件的實現邁出重要一步。而為推動器件的功率進一步突破，需要將泵浦策略應用於輸出性能更好的旋轉式或滑動式的摩擦納米發電機。
為實現以上目標，王中林院士領導的研究團隊首次提出了一種新穎的同步旋轉泵浦結構，實現了高功率的旋轉摩擦納米發電機。相關結果以Charge pumping strategy for rotation and sliding type triboelectric nanogenerators為題發表在了Advanced Energy Materials上（DOI: 10.1002/aenm.202000605）。
在該器件中，設計了泵浦發電機和主發電機兩種子結構，並基於一種同步旋轉結構進行同軸串聯。泵浦發電機由普通摩擦納米發電機實現，通過一對泵浦電極產生輸出，而主發電機主要包括相對旋轉的存儲電極和輸出電極，泵浦電極通過整流向存儲電極中注入電荷，這些電荷約束在存儲電極中，其作用類似於普通的摩擦電荷，也可以在相對旋轉的輸出電極中產生感應輸出。但由於存儲電極中可以不斷的注入電荷，其電荷密度可比普通摩擦靜電荷高很多，密度極限取決於電介質的擊穿。在這種設計下，表面不再需要強烈的摩擦來產生靜電荷，從而使得約束電荷的產生與表面摩擦強度解耦，在產生高功率輸出的同時，發熱和磨損得到抑制。器件採用的同步旋轉結構使得無需使用任何電刷即可實現上述功能，保證了器件的可靠性。單個器件可實現4.5μC的轉移電荷量，與對照的普通摩擦納米發電機相比，電荷量增強約9倍，功率增強約15倍，並可在1s內使輸出上升到飽和值。該器件還可由單一泵浦發電機驅動多個主發電機。當採用一對泵浦發電機驅動四個主發電機時，在2Hz的低轉速下，實現了225mW的平均功率。相較此前基於接觸分離式結構的泵浦器件，該器件在平均功率和飽和時間方面均有大幅性能提升。隨著後續器件參數的優化，器件性能將有可能得到進一步增強。該結構也可擴展到滑動式摩擦納米發電機中。作為一種高性能基礎元件，該器件可以廣泛適應於連續或間歇的激勵，應用於不同的結構並收集環境機械能，如風能、波浪能等，實現高功率的自驅動系統和新型的清潔能源，其優異的性能也將推動摩擦納米發電機在上述領域更快取得實際應用。
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