摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的演進(jìn)

克萊姆森（Clemson）大學(xué)納米材料研究所（CNI）的科學(xué)家和學(xué)生研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)出了一種無線充電技術(shù)，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電場，為3米范圍內(nèi)的電池或電容器充電。

最近在《先進(jìn)能源材料》上發(fā)表的一篇文章《A Wireless Triboelectric Nanogenerator（一種無線摩擦納米發(fā)電機(jī)）》揭示了一種利用摩擦生電效應(yīng)的器件——摩擦生電是指一種材料在摩擦接觸另一種不同材料時(shí)變得帶電的現(xiàn)象。

當(dāng)受到持續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如手指敲擊）激勵(lì)時(shí)，這種無線摩擦納米發(fā)電機(jī)（W-TENG）就可以產(chǎn)生高達(dá)2,000V的輸出電壓，峰值功率達(dá)到70mW，這足夠?yàn)楝F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中的大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電了。

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的演進(jìn)

摩擦生電并不是什么新鮮事——我們在日常生活中都會(huì)經(jīng)歷到某種形式的摩擦生電，比如梳頭發(fā)會(huì)產(chǎn)生靜電，在地毯上摩擦鞋子，甚至在頭上摩擦氣球也會(huì)產(chǎn)生靜電。這種現(xiàn)象早在18世紀(jì)就有文獻(xiàn)記載——瑞典物理學(xué)家約翰·卡爾·維爾克（Johan Carl Wilcke）在1757年發(fā)表了第一篇關(guān)于摩擦生電的論文。然而直到最近，業(yè)界才開始進(jìn)行大量研究，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中利用TENG來實(shí)現(xiàn)能量采集。

這項(xiàng)技術(shù)有可能采集環(huán)境中耗用的免費(fèi)能量——例如人們行走時(shí)的振動(dòng)、手壓和機(jī)械振動(dòng)等——并將其轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的微型電源，為不斷激增的數(shù)百萬計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)供電。功耗和電池壽命是無線傳感器節(jié)點(diǎn)大量部署的主要難題。這就是LPWAN技術(shù)如此受歡迎的原因——它具有長達(dá)10年的電池壽命，而且能夠遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。但是，若能夠在其使用壽命期間始終持續(xù)保持電池充電，那就更加理想，因?yàn)檫@樣就可以大大降低電池充電和更換的成本。能量采集對于傳感和傳輸設(shè)備不能離線的應(yīng)用場合特別有用，例如在醫(yī)療體域網(wǎng)（MBAN）應(yīng)用中，需要對心臟監(jiān)護(hù)室（CCU）的患者進(jìn)行無線心臟監(jiān)測。

無線摩擦納米發(fā)電機(jī)（W-TENG）

W-TENG可以對本地儲能設(shè)備進(jìn)行無線充電，甚至直接進(jìn)行簡單的電能傳輸，這將具有更廣泛的應(yīng)用前景。該大學(xué)發(fā)布的一個(gè)視頻（詳見本刊網(wǎng)站）展示了一名學(xué)生研究人員通過敲擊W-TENG器件，可以為智能鏡子遠(yuǎn)程供電。

“它不僅可以提供電能，還可以將電場作為啟動(dòng)遙控器使用，”從事這項(xiàng)研究的博士生Sai Sunil Mallineni說道， “例如，你可以敲擊W-TENG，將其電場用作打開車庫門的‘按鈕’，或者可以啟動(dòng)一個(gè)安全系統(tǒng)，這些全部無需電池，都是無源和無線的。”

W-TENG基于CNI的超簡單摩擦納米發(fā)電機(jī)（U-TENG）——它由涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和Kapton電極構(gòu)成，這些材料都可以從市場上購買到。W-TENG的底部電極不是由塑料構(gòu)成，而是由石墨烯和聚乳酸（PLA）的碳復(fù)合材料構(gòu)成——PLA是一種可在玉米淀粉和甘蔗中發(fā)現(xiàn)的可生物降解的聚合物。3D印刷電極上覆蓋了一層特氟龍，用來產(chǎn)生摩擦生電效應(yīng)。

“我們使用特氟龍是因?yàn)樗泻芏喔叨蓉?fù)電的氟基團(tuán)，而石墨烯PLA具有很高的正電性，” Podila說， “這是一種并列和創(chuàng)造高電壓的好方法?！?電荷在連接的銅帶上積聚的程度足夠大，就能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場。

TENG有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：對于標(biāo)稱功率，伴隨著高輸出電壓的是低輸出電流。通過縮小器件尺寸并將多個(gè)器件封裝在一起來在輸出端降低電壓并提高輸出電流，這樣有可能解決這一問題。當(dāng)然，電源管理電路對于為電池或電容器充電是必需的。盡管如此，該技術(shù)仍將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中各種能量采集技術(shù)——例如熱電發(fā)電機(jī)（TEG）、壓電材料，以及光伏電池等的強(qiáng)有力補(bǔ)充。