走路即可供電，摩擦奈米發電機研究突破或帶動新時代能源變革
隨著通訊、網際網路等技術的發展，物聯網應運而生，感測器和微型器件得到了大規模應用，如何給這些微小器件充電，成為了一個難題。
2006 年，中科院王中林院士發明了納米發電機，提出了自驅動系統的概念。2012 年，王中林院士發明了將微小的機械能轉換為電能的摩擦奈米發電機（ TENG ，以下用此簡稱），將奈米能源定義為“新時代的能源”，並將長遠目標定為將海浪的能量收集起來，實現人類夢寐以求的“藍色能源”。由此，在公元前 6 世紀被人類首次記錄的摩擦起電現象，在 2000 多年後被逐漸重視、利用了起來。
近日，中國科學院北京奈米能源與系統研究所王中林院士與王傑研究員領導的科研團隊在 TENG 研究中又取得了新進展。絡繹科學有幸邀請到了王傑，為我們分享自 TENG 發明以來遇到的一些研究難題、解決方案以及最新研究成果。
一、 TENG 的優勢與基本模式
傳統的電能是透過電廠給一個有序的、大的應用場景供電，如果是分散式小電源，比如日常用到的手機、智慧手錶等，可以透過定期充電保證運轉。但在物聯網時代，有海量的感測器，在森林、海洋等地方，投放出去後一方面很難再找到，另一方面電池壽命有限，很難長久使用下去。針對這一問題，王中林院士想到了從環境中直接獲取能源對電子器件供電，而 TENG 就是針對這樣的需求而產生。
（一） TENG 的優勢
TENG 與電子發電機最大的不同是，電子發電機是利用磁場變化進行發電的，而 TENG 是基於位移電流發電的（隨時間變化的電場而產生的感應電流，以及介質極化所引起的靜電荷微小位移所產生的電流）。從物理效應來看，它是基於兩種材料的接觸摩擦，產生靜電感應並對外輸出電流。從理論上來看，王中林院士基於麥克斯韋方程組推匯出 TENG 的基本輸運方程。
圖丨摩擦奈米發電的方程式（來源：王傑，絡繹知圖整理）
TENG 的功率和頻率是一次方關係，而傳統發電機是二次方關係。相對於傳統發電機， TENG 作為新的發電器件，具有高電壓低電流、在低頻下具有高效率的特點。
（二） TENG 的基本模式
自 2012 年第一款 TENG 發明以來，王中林院士及其團隊共研究出四種基本模式，分別是垂直接觸分離模式、水平滑動模式、單電極模式和獨立摩擦介質層，用來收集廣泛存在於自然界中的人體運動的機械能、波浪能、聲音和風能等能量。
圖丨 TENG 的四種基本模式（來源：王傑，絡繹知圖整理）
二、 TENG 的效能評價指標
作為一個新的發電器件，沒有一個統一的標準來評價基於多種模式多種結構的 TENG 的效能，那應以什麼標準來評價其效能？
TENG 具有高電壓低電流的特性，它的電流輸出與運動的特性有極大關係，它的開路電壓很高，但很難測準，所以這兩個引數都不太適合做評價指標。王中林團隊提出將表面電荷密度的平方作為材料品質因數，進而作為TENG的效能評價標準。
圖丨 TENG 的結構品質因數（來源：王傑，絡繹知圖整理）
圖丨與固體鎵或鎵銦錫合金接觸的不同材料所測量的絕對電荷密度（來源：王傑，絡繹知圖整理）
表面電荷密度不僅可以決定它的電流、電壓，也可以決定它的功率。表面電荷密度與運動的頻率無關，也就是說和測試方式無關，因此表面電荷密度是一個非常適合用來做表徵的引數。（在評價 TENG 在功率或能量方面的改進效果時，直接以此作為評價。）
三、 TENG 的研究：限制因素和改進方法
（一）如何提高 TENG 的能量
1。 提高電荷密度的兩個關鍵瓶頸
此前，王傑團隊做出了可穿戴的 TENG ，但這種可穿戴的 TENG 可以水洗嗎？是柔性的嗎？
針對這個問題，王傑團隊使用矽膠做介質層，矽膠加碳顆粒，如碳黑、碳奈米管，來作為它的電極，使用矽膠後，TENG 就實現了可拉伸、可水洗。而使用矽膠後的 TENG 也給了他們一個驚喜——它的電荷密度有了明顯的提升。
圖丨不同材料下 TENG 的電荷密度（來源：王傑，絡繹知圖整理）
一百多年來，有大量針對摩擦起電的研究，但都沒有將它作為主要發電器件應用，一個主要原因就是因為它的電荷密度太低。
2014 年，王傑剛進入這個研究領域的時候， TENG 的電荷密度還只有 50μC/㎡ ；使用奈米結構的電極材料後，它的電荷密度達到了 100μC/㎡ ；考慮到摩擦的重要性，用容易得到電子的聚四氟乙烯 （PTFE） 做介質層，用當時最好的液態金屬與之摩擦，其電荷密度達到了200μC/㎡ ；而在使用矽膠後，它的電荷密度接近 300μC/㎡ ，得到了顯著提升。
改進後的 TENG 便可以收集人體機械運動產生的能量，實時驅動可穿戴電子器件。比如，將 TENG 嵌入鞋底，人體透過走路產生的能量就足以驅動電子手錶，透過跑步產生的能量就足以驅動一個健康監視器件，且多餘的能量還可以儲存在電池裡，這樣即使人體在休息時，也能夠給電子器件供電。
電荷密度提升了 5 倍之後，是否還能不能進一步提升呢？
在改進的過程中，王傑團隊遇到了一個瓶頸——空氣擊穿。摩擦起電中，摩擦電極與介質層摩擦後，會有一個電荷分離的過程，當兩者分開後，會產生電壓，由於靜電的電壓非常高，電壓很容易達到空氣擊穿的上限，就產生了空氣擊穿，從而導致電荷僅從內部轉移洩露，而不從外部轉移產生電流。
圖丨空氣擊穿對摩擦起電的制約（來源：王傑，絡繹知圖整理）
這一現象王傑團隊在高真空系統中得到了驗證。在空氣中的電荷密度也只有100 多 μC/㎡ 的 TENG 器件，在高真空條件下，電荷密度達到了 600 多 μC/㎡ ，進一步最佳化後，電荷密度達到了 1000μC/㎡ ，這與幾年前相比，電荷密度提升了 20 倍，功率提升了 400 倍。
圖丨高真空下的電荷密度（來源：王傑，絡繹知圖整理）
高真空環境中，電荷密度輕鬆地超過了 600μC/㎡ ，甚至達到了 1000μC/㎡ ，如果能夠突破空氣擊穿的限制，電荷密度還能更高嗎？經過實驗，發現在使用相同器件的情況下，電荷密度無法達到更高。經過分析，發現了另一個瓶頸——材料擊穿。只要電極分離得足夠遠，那麼電極所帶的負電荷就會全部轉移，負電荷在介質層的上表面，等量的正電荷在背電體上，介質層就會形成一個“平板電容器”，將介質材料擊穿。
綜上， TENG 的電荷密度有三個限制因素：摩擦起電、空氣擊穿和材料的介質擊穿。以上的研究工作把 TENG 的電荷密度提到了新的高度，也為後面的研究指明瞭方向。
2。電荷激勵不僅提高電荷密度，還提高耐溼性
因為選對了材料，摩擦起電不是瓶頸。但如果材料的選擇是為了有更高的介質擊穿場強，也會受限於摩擦起電。透過研究發現，電荷激勵是很好的突破方法。
TENG 輸出的電荷往外運輸後，儲存在電容器中，透過電路的自動切換，電荷有一個快速積累的過程。即便使用摩擦起電效能很差的材料，仍能輸出更多的電荷，如 P（VDF-TrFE） 材料，它的電荷密度達到 2200μC/㎡ 。
圖丨高介電常數材料提高表面電荷平衡態上限（來源：王傑，絡繹知圖整理）
上圖所示的公式也指明瞭進一步最佳化的方向，一是提高介電常數，二是降低厚度。當然，如果材料太薄，就會有漏電流的問題。
摩擦起電常常受到溼度的影響，冬天的時候我們的衣服容易產生靜電，發生火花現象，夏天則很少有靜電產生。除了得到高電荷密度和高功率外，運用電荷激勵的方法，還可以使 TENG 在高溼環境下也能得到比較理想的輸出效能。
圖丨提升高溼環境中輸出效能（來源：王傑，絡繹知圖整理）
從上圖可以看出， TENG 在相對溼度為 90% 的環境下，輸出的電荷密度只有在相對溼度為 30% 時的百分之二點幾，使用電荷激勵技術後，它還有百分之七十多的電荷密度輸出，由此，運用電荷激勵還可以克服高溼環境對 TENG 應用限制。
3。 利用空氣擊穿的 DC-TENG 及其改進方法
既然有空氣擊穿和無空氣擊穿之間的電荷密度差值那麼大，為什麼不利用空氣擊穿呢？將空氣擊穿的電荷量收集起來結果會怎麼樣？
基於此，王傑團隊設計了基於空氣擊穿的恆流摩擦奈米發電機 （DC-TENG） 。其原理是：電極（如金屬銅）與介質層（如 PTFE ）進行摩擦，因為它們的電負性不同，這兩種材料在摩擦或接觸後，金屬銅就會把電子轉移給 PTFE ，當銅電極滑開後，由於 PTFE 是駐極材料，它表面的負電荷就會保持一段時間，但這些負電荷缺少相應的正電荷來遮蔽，就會產生一個較高的電場，電場則會擊穿空氣。如果在介質層上放一個電荷收集電極，就可以收集擊穿空氣的電能，達到收集空氣擊穿能量的目的。
圖丨 DC-TENG 工作原理（來源：王傑，絡繹知圖整理）
DC-TENG 利用的是摩擦起電和空氣擊穿，它的原理和傳統發電機利用摩擦起電和靜電感應的原理不同，其基本原理類似人工產生和收集“閃電”的原理。旋轉模式的 DC-TENG 不僅可以實現直流電輸出，而且可以實現恆流電的輸出，更重要的是，其輸出電流基本上與負載電阻的大小無關，這樣巧妙地實現了恆流源的功能。因為是恆電流輸出，所以它能夠直接產生電流來驅動電子器件。而傳統的發電機是交流脈衝的電流，在驅動電子器件之前，需要先整流，變成直流脈衝，後透過能量儲存器件轉變成穩定電壓、恆定電流之後對電池器件進行供電。
（1）DC-TENG 的微結構設計改造
DC-TENG 的電荷密度達到了 400μC/㎡ ，接近了上面提到的差值。在此基礎上，王傑團隊又想了很多方法提升其輸出，如介質層的最佳化、結構設計、氣壓設計等。其中，微結構的設計改造是一種能高效提高輸出效能的方式。
滑動模式和接觸分離模式摩擦的極限電荷密度是一樣的，但是滑動模式可以瞬間達到摩擦起電的極限，它的摩擦起電有效性相對比較高。如果想要提高滑動模式 DC-TENG 的輸出電荷，可以用一個面和一根線的摩擦來替代面與面的摩擦，而後把被替換的那個面的電極做成多個摩擦電極及相應的電荷收集電極，實現從一個發電機到多個發電機並聯發電。
圖丨微結構改造後的結構設計（來源：王傑，絡繹知圖整理）
為了驗證經過微結構改造後的 DC-TENG 效能，王傑團隊做了 50 個結構單元來測試其電荷密度，實驗結果如下圖，電荷密度值達到了 5。4mC/㎡ ，比之前的數值提高了很多。
圖丨 TENG 微結構改造後的電荷密度記錄（來源：王傑，絡繹知圖整理）
此外，實驗還顯示單位面積輸出的電荷密度與結構因子 （K） 呈線性關係，電荷密度會隨K增大而線性增加。
圖丨結構因子 K 與輸出效能關係（來源：王傑，絡繹知圖整理）
透過之前的研究， TENG 的電荷密度從 1000μC/㎡ 達到了最高的 2400μC/㎡ 。而 DC-TENG ，不僅可以恆定地輸出、直接驅動電池器件，還超過了以前的交流 TENG 的電荷密度。
綜合以上的研究， DC-TENG 的限制因素總共有三個：摩擦起電；摩擦起電過程中電荷參與量；結構因子。
（2） DC-TENG 的材料選擇最佳化
由於直流發電機的原理不同於交流發電機，王傑團隊重新審視了此前所用的材料並考慮最佳化。
實驗發現，銅和 PTFE 材料對並非最優。基於 DC-TENG 原理，王傑團隊提出 DC-TENG 中理想摩擦材料需要具備較小的摩擦係數、低的極化強度、高的表面電荷密度的特性。
根據這三個特性要求，透過實驗，發現最好的材料是 PVC ，其次是 PTFE 。在相同條件下，使用 PVC 材料時，電荷密度超過了 8mC/㎡ 。
圖丨新材料的電荷密度（來源：王傑，絡繹知圖整理）
4。 雙模式 AC/DC-TENG 可收集更多能量
DC-TENG 的研究取得一定成績後，王傑團隊思考可否將直流摩擦奈米發電機和傳統的交流摩擦奈米發電機的兩種效應同時利用起來，提高能量輸出，從而更有效地驅動電子器件。王傑團隊在傳統的 TENG 上再加一個電極來收集電荷，同時收集兩種能量。
圖丨雙模式 AC/DC-TENG 工作原理（來源：王傑，絡繹知圖整理）
這種雙模式的發電機，交直流輸出相互獨立，可以作為研究摩擦起電、靜電感應和靜電擊穿的一種很好的工具，在研究其他效應的時起到了重要作用。
5。 介質增強效應有效提高 TENG 效能
摩擦起電的總量增加了，靜電感應和靜電擊穿就會增強，那麼如何增加摩擦起電的總量？
之前的研究重點在電極材料的改進，如選用最容易失去電子的金屬和最容易得到電子的介質層材料。後經研究發現，在原先的金屬和介質層中間的摩擦介面再加一種比金屬更容易失去電子的材料，如聚合物丁腈，能使輸出效能提升一個臺階。
圖丨介質增強 TENG 的應用（來源：王傑，絡繹知圖整理）
介質增強效應具有普適性，既可以使傳統的四種模式的 TENG 的效能得到提升，也使 DC-TENG 的輸出效能得到提升。
圖丨介質增強 TENG 的普適性（來源：王傑，絡繹知圖整理）
（二）提高TENG的壽命的幾種方法
TENG 的優勢很多，但不可避免地，也有短板。TENG 的壽命成為它投入應用前的關鍵難題之一。為了解決這個問題，王傑團隊想到了三個改進方法。
1。 介面潤滑
即選擇合適的潤滑油來提高它的服役壽命，同時透過潤滑油來降低介面擊穿，減少電荷損失。
從下圖的實驗結果可以看到，使用合適的潤滑油後，在滑動 50 萬次後，TENG 仍然具有較穩定的輸出，輸出率達到 86% ，且材料的磨損也比較低；沒有使用潤滑油的 TENG ，其輸出很快就降到了 10% 以下。
圖丨使用潤滑油延長服役壽命（來源：王傑，絡繹知圖整理）
選擇合適的潤滑油，不僅可以起到潤滑作用，還可以減少空氣擊穿，減少內部電荷的損失。因此，介面潤滑的方式能提升 AC/DC-TENG 兩種摩擦奈米發電機的輸出效能，是一個通用的方法。
2。 改用接觸分離式
透過結構設計，將滑動式旋轉摩擦奈米發電機改為接觸分離式的旋轉摩擦奈米發電機，可以提升迴圈壽命。目前透過實驗測得接觸-分離模式最高的迴圈次數是 4000 萬次，具有較高的穩定輸出。
由於旋轉接觸分離式自帶相位差，脈衝峰有相位差，疊加後會降低波峰比。因此改用接觸分離式不僅可以提高壽命，還可以降低波峰比。
圖丨接觸分離式工作原理（來源：王傑，絡繹知圖整理）
3。 最佳化材料和結構
改用耐磨的材料及增加材料的彈性，讓其自適應地接觸。王傑團隊以高鐵為目標應用場景進行了相關研究。因為高鐵在行駛過程中會產生巨大的風場，這樣就可以利用行駛中的高鐵產生的風能進行發電。
圖丨設定在高鐵軌道旁的 ER-TENG （來源：王傑，絡繹知圖整理）
透過實驗，可以看到驅動扭矩減小一半，能量收集效率提高一倍， TENG 的耐久性得到了顯著提升。自適應接觸和材料最佳化，可以提高 TENG 的迴圈壽命，也可以運用到其他的領域。
圖丨材料最佳化後 TENG 的電荷密度（來源：王傑，絡繹知圖整理）
四、雙電容增強摩擦奈米發電機 （DCE-TENG） 實現超耐磨和耐溼
TENG 在規模化應用前，主要有三個瓶頸：第一個是功率密度（功率密度和電荷密度的平方成正比），第二個是壽命，第三個則是耐溼性。
DCE-TENG 可以同時解決壽命和耐溼問題，其原理與之前的 TENG 又有什麼不同呢？
DCE-TENG 中，設定有兩個電容，一個是固定電容，另一個是不接觸的可變電容。DCE-TENG 產生的電流會先儲存在固定電容裡，隨著可變電容容量的變化，電流會在固定電容和可變電容之間來回流動，由此對外供能。由於這裡只需要 TENG 產生的微小電能來維持雙電容系統的漏電流，就降低了對 TENG 本身的輸出效能需求。
圖丨 TENG 和 DCE-TENG 工作原理對比（來源：王傑，絡繹知圖整理）
雙電容系統中是沒有磨損的，因此它的壽命和穩定性都比較高。此外，雙電容系統的對外輸出只受到固定電容所存的電量和可變電容的容量的影響，幾乎不受到環境溼度的影響，在相對溼度達到 90% 時，也會有 90% 以上的輸出，因此具有耐高溼的優勢。
圖丨 DCE-TENG 耐高溼、耐磨損效能（來源：王傑，絡繹知圖整理）
在提升 DCE-TENG 的功率方面，可以透過結構設計來實現，比如在收集風能的系統中，可以收集風能來驅動主 TENG 緩慢地轉動，透過變速齒輪組讓可變電容進行高速旋轉，以此提高輸出的頻率，從而提升輸出功率。
五、 TENG 的應用
TENG 具有質量輕（可用塑膠來做，不需要傳統發電機的磁鐵與線圈）、體積小、低頻效率高、選材廣泛（可根據需要進行選材）等優勢。
基於其優勢，TENG 主要在以下4個方面有廣泛的應用前景：
第一是微納能源，比如用於穿戴電子裝置的電源供給。
第二是自驅動感測， TENG 既能把機械訊號轉變成電訊號作為能源，也可以將機械訊號轉化出的電訊號，直接作為運動的識別訊號。此外，它不需要外加供電，線路比較簡單，並且具有高電壓特性，更方便電路檢測。
第三因其高壓特性，可以成為一個很好的高壓源。
第四是藍色能源，這是一個場景比較大的應用。藍色能源是將 TENG 組成網路來收集波浪，達到一個大的能源輸出。
圖丨 TENG 的 4 個應用前景（來源：王傑，絡繹知圖整理）
TENG 在藍色能源中的應用
全球海洋能的總儲量約 760 億瓦，相當於全世界發電裝機總功率的 10 倍，我國有長達 18000 千米綿長曲折的海岸線，有大量的海洋能。如果能夠將 TENG 組成網路，收集無序、隨機、低頻的波浪能，會為海洋的開發利用和碳中和提供新的思路。
關於海洋能的利用，國內外已經探索了很多年，早期曾使用固定式發電機，但因其過高的安裝成本而沒有繼續推進。之後利用漂浮式發電機來收集能量，因為採用的是傳統的電磁感應發電機，重量比較大，與漂浮式要求的重量輕相互矛盾，在應用過程中問題比較多而沒有繼續推進。
對此，王中林院士提出使用 TENG 的小球網路來收集波浪能。
圖丨單點接觸的網路狀 TENG （來源：王傑，絡繹知圖整理）
單點接觸的 TENG 基於自由摩擦層工作模式，由尼龍球和背面有電極的 Kapton 膜摩擦產生靜電荷。當球隨著波浪在兩電極間來回滾動時，會在外電路中產生交流電。在 1。43Hz 的波浪頻率下，單個發電機可以產生 24nC 的電荷和 1。2μA 的短路電流。
這種 TENG 壽命很長，但因為是單點式，因此輸出功率有待提高。王傑團隊透過材料最佳化的方式，如將 PTFE 改用矽膠，使得電荷密度有大幅度提升，最大功率也有 10 倍以上的提升。
另一種收集波浪能的方式是使用雙線擺驅動的多層 TENG ，實現多面摩擦發電。其原理是將雙線擺模組設計在船體上，利用船體的晃動與海浪摩擦產生的能量發電。
圖丨雙線擺輔助的多層 TENG 工作原理（來源：王傑，絡繹知圖整理）
基於軟接觸、超薄和微納表面結構的介電材料以及多層結構的合理空間利用率，它實現了 200Wm-3 的高功率密度，且船體平臺具有提高 TENG 在海上的適應能力、簡化封裝和降低運營成本等優勢。
針對遠洋的多向波浪能收集，王傑團隊又設計了圓形的 TENG ，以實現全向水波浪能的有效收集；採用主動共振系統收集低頻的波浪能，以實現全頻段水波能的有效收集。
有了船體平臺和相對來說比較高的功率的發電模組，利用 TENG 除了構建小型的海洋能發電站，還將在海洋化學資源的提取、海水資源的生產利用、構建海洋物聯網工程等方面有巨大的應用潛力。
絡繹科學關注前沿科技和為之奮鬥的科研工作者們。我們希望透過持續不斷分享，為大家帶來前沿科技和為之走過“彎路”卻仍然風雨兼程的科研工作者們的真實經歷。
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