随着电子信息技术的快速发展,人类社会步入了智能化和自动化发展道路,社会对各种资源的利用逐渐进入精细化的阶段。能源是社会发展进步所必需的推进剂!在移动可穿戴设备和物联网技术的推动下,各种大型发电厂所提供的高品质、大规模的集中式能源已不能满足当前社会的需求。收集广泛存在于周围环境中的各种低品位、精细化能源,为这些数以亿计的分布式电子设备供能成为了当今社会亟待解决的新问题!环境中广泛存在着各种形式的机械能量,这些能量往往是无序和低频的,因此如何高效地收集此类能量是技术难点。王中林院士在2012年发明的摩擦纳米发电机,作为一种新颖高效的低频环境机械能量的收集技术,已经被证明在人类运动、雨水、海洋能、风能等机械能量收集方面和有关生物医学、电化学、智能设备等的自供能系统方面拥有巨大的潜力,是实现物联网中分散式传感器能量供给的重要途经。已成为了当下横跨多学科的研究热点。其中,摩擦纳米发电机输出性能的优劣从源头上决定了和支撑了其应用层次及商业潜力。在本论文中,我们结合电磁学理论和电子技术,从提高摩擦纳米发电机前端输出和后端电源管理出发来深入改善其输出性能,内容如下:（1）提高摩擦纳米发电机输出电荷密度是改善其前端输出的关键,针对大气环境中摩擦材料电荷密度低的弊端,我们提出了一种高效普适的外部电荷激励方法:利用普通摩擦纳米发电机来给主摩擦纳米发电机注入摩擦电荷,从而有效增加主发电机的电荷密度。首先,我们建立了由主摩擦纳米发电机、电荷存储电容和单向高电压源组成的等效模型。单向高压源产生激励电压给主发电机注入电荷,提高其电荷密度;在随后的接触分离过程中,由静电作用下注入的电荷会在主发电机和电荷存储电容之间来回转移,产生交流输出。其次,我们通过结合额外的激励摩擦纳米发电机和倍压电路作为单向高压源来产生激励高压,实现了发电机输出电荷的线性增加。同时,为了简化结构,巧妙将倍压电路中输出电容作为电荷存储电容。最后,我们引入了稳压控制单元获得了稳定可调的输出,避免了过高的电压损坏发电装置。结果表明,当采用5μm的聚酰亚胺介电膜时,发电机在大气环境中获得了218 s/(m C m-2)的电荷增加速度,并首次实现了1.25 m C/m~2的高电荷密度输出。相比普通的摩擦纳米发电机,该外部电荷激励方法达到了25倍的电荷密度增加,突破了当前摩擦材料起电能力不足的局限。（2）激励摩擦纳米发电机的存在使得外部电荷激励方法具有慢的电荷累积速度和复杂的结构,难以完全满足实际中的各种苛刻要求。故此,在本文中,我们利用摩擦纳米发电机本身产生的能量来给自己补充电荷的思想,提出了自电荷激励策略。并设计出了由3层结构主摩擦纳米发电机和自倍压电路组成的自电荷激励摩擦纳米发电机。其中,通过主发电机与能在串-并联状态间自动切换的外电容组之间的耦合作用,使得主发电机达到了指数式的电荷自增加效果。采用复合液体柔性软垫来增加界面接触并结合5μm的聚酰亚胺膜,自电荷激励摩擦纳米发电机在大气环境下获得了1.22 m C/m~2的高电荷密度和23 s/(m C m-2)的超快电荷累积速度。此外,即使主发电机仅有极小的初始电荷也能实现自激增加的效果。自电荷激励策略不需要激励摩擦纳米发电机,具有更快的电荷累积速度、结构简单、易于集成和容易产业化的优点,与外部电荷激励方法具有互补性。（3）摩擦纳米发电机具有大电压、微电荷特性。当用其直接驱动电子设备时存在严重的电压失配问题,因此需要高效的能量管理单元来提高其能量利用率。开关电容换能器具有易集成,质量轻和无磁等优点,以电压-电荷的形式来转换能量,非常适合摩擦纳米发电机。本文中我们提出了一种分形设计的开关电容换能器,将传统开关电容换能器的一维线性放电网络提升为了二维平面放电网络,极大降低了输出阻抗,具备了高静电电压适用和高转换效率等优势。基于此,我们构建了用于摩擦纳米发电机的具有双输出模式的能量管理系统。在脉冲模式下首次获得了超过67倍的电荷提升和954 w/m~2的高功率密度;在恒流模式下实现了超过94%的总能量传输效率,能以1.5Hz的低工作频率持续驱动各种小型电子设备。双输出模式概念的提出,对摩擦纳米发电机向多功能能量管理方向的发展具有重要的指导意义,同时开关电容换能器的无磁等性质也进一步扩展了摩擦纳米发电机的适用范围。