王中林EcoMat：摩擦纳米发电机新进展--从基础理论到实际应用

成果简介

广泛分布的传感网络是物联网（IoT）、大数据和人工智能发展最重要的元素，必须由储能单元驱动，具有有限的寿命和环境问题。鉴于众多传感器的分布广泛性和高移动性，物联网的成功和人类社会的可持续发展需要可再生的分布式能源。由于摩擦起电效应在我们的生活环境中无处不在，因此由Wang及其合作者开发的用于机械能量收集和自供电传感的摩擦纳米发电机 (TENG) 是新时代能源的最佳选择之一。鉴于此，王中林院士团队在EcoMat发表了题为“Recent progress of triboelectric nanogenerators: From fundamental theory to practical applications”的综述性文章，系统总结了TENGs从基础理论到实际应用的最新进展。首先介绍了TENG的摩擦起电机理、第一性原理理论、工作原理、工作方式和品质因数。此外，还回顾了微纳电源、有源自供电传感器、大规模蓝色能源和高压电源等四大TENG应用领域的近期重要进展。最后，讨论了TENG未来发展的一些观点和挑战。

内容详情

图1 TENGs的四大应用领域：微/纳米电源、有源自供电传感器、蓝色能源和高压电源、 可穿戴电子产品

图2 2019年7月15日前SCI数据库中TENG领域的文献调研

图3 用于解释一般情况下两个原子之间CE和电荷转移的重叠电子云模型

图4 修正后的Maxwell位移电流的树状图

图5 TENG在接触分离模式下的工作原理示意图

图6 TENGs的四种基本工作模式

图7 TENG 的品质因数

图8 TENGs作为微/纳米电源的应用

图9 TENGs作为自供电传感器的应用

图10 TENGs在蓝色能量收集中的应用

图11 TENGs作为直接高压电源的应用

结论与展望

本综述从基础理论到实际应用系统总结了TENGs的最新进展。首先讨论了TENG的基础知识和基本理论，主要包括摩擦起电机理、第一性原理理论、工作原理、工作方式和品质因数。然后讨论了 TENG 的主要应用领域。首先，由于能够从外部环境中获取机械能，TENG可以用作小型、分布式和可穿戴电子设备的微/纳米电源。通过将TENG与现有的商用传感器集成，开发了自供电系统。其次，TENG本身也可以作为一种有源自供电传感器来感知各种机械运动和搅动，这将在物联网、人工智能、大数据和传感器网络中具有广泛的应用。第三，与EMG相比，TENG在低工作频率下具有出色的输出效率，特别适合收集水波能量。通过将许多TENG单元连接成一个网络，可以利用来自海浪的能量（蓝色能量）。最后，TENG具有可控性、便携性、安全性、成本效益和高效率等优点，可直接用作特定高压应用的高压电源，如质谱、电子场发射等。基于上述四大应用领域，2018年提出了TENG的路线图，以确定关键研究方向并为TENG的发展提供时间表（图 12）。

图12 TENG 2017-2027年发展路线图

尽管TENG在基础理论和技术应用方面取得了很大进展，但该研究领域的未来发展仍存在一些问题有待解决。

摩擦起电基础物理学的进一步研究。尽管在该领域取得了一些进展，但仍需更多的研究工作来探索纳米级和微米级的CE。特别是液-液界面之间的CE与探针不同，尚未进行研究。最近的工作表明，使用小尖端形状的TENG作为探针研究液-液界面的充电行为可能是一种很有前景的方法。此外，在CE过程中，摩擦电材料表面发生的电子转移可能会引起界面催化。探究产生的CE 电荷对界面处的氧化还原反应的影响规律是一个有趣的科学问题。

提高TENG的输出能量。从TENG的内部结构来看，通过改性材料或创建表面微/纳米结构来提高表面电荷密度、增强接触性、设计新型结构等各种策略有望提高TENG的输出性能。此外，TENG的输出能量可以通过优化工作环境、引入电源管理电路等外部方法来提高。此外，电荷泵和自充电激发是两种新开发的提高TENG 输出功率的有效机制。

提高材料和器件的耐用性。长期稳定性是TENG实际应用的关键问题。在运行过程中，材料磨损会导致TENG的性能严重下降，尤其是滑模式TENG。针对此问题，第一个解决方案是使用TENG的工作模式转换。已经证明在机械接触的前几个循环中产生的电荷可以保持一段时间而不耗散。通过为接触和非接触模式之间的TENG模式转换设计“可切换”结构，可以同时获得高输出性能和耐用性。第二个方案是开发具有强大机械耐久性的材料。复合材料和化学改性的研究将会对此有所帮助。

用于制造 TENGs 的材料大部分是不可降解的合成聚合物，可能会造成环境污染。在这种情况下，开发可生物降解和可再生的材料可能是一个不错的选择。然而，此类材料通常摩擦电和机械性能不足。未来的战略可以侧重于探索更多的天然材料，并通过物理和化学改性改善其性能，这可能会极大地促进 TENGs 的发展，并对社会、经济和环境的可持续发展产生重大影响。

在大规模蓝色能量收集方面，虽然TENG利用水波能量的输出性能有了很大提高，但在实际应用中还有两个问题需要解决。首先，由于水波能量的内在不稳定性和随机性，如何固定跨海的TENG网络对于能量收集至关重要。因此，合理设计连接TENG的网络结构对于解决这个问题起着关键作用。其次，由于导电海水引起的屏蔽效应，TENG在水环境中工作时的输出性能会急剧下降。如何最小化或避免这种负面影响是蓝色能量收集发展的另一个关键问题。未来的研究可以集中在为在海洋环境中工作的TENG网络开发先进的连接和封装技术。

TENG的有效储能。传统的储能设备通常使用直流输入充电。鉴于TENG的脉冲输出特性，研究在脉冲驱动力下穿过锂电池隔膜的离子传输和扩散非常重要。对于超级电容器，因为TENGs 的电流相对较低，自放电问题会严重降低存储效率。未来应致力于抑制超级电容器的自放电。

作为一种自供电传感技术，TENGs可以广泛分布在环境的各个角落，实时采集各类机械信号。结合人工智能和云计算，基于TENG的大数据分析可以发展为自供电系统的一个新分支，自动分析所收集的数据并提供科学指导。基于TENG的大数据分析，可以为环境监测、医疗保健、运动、安全等领域构建智能传感系统。这个新分支将大大扩展TENG在物联网的应用范围。此外，在基于TENG自供电传感系统的当前研究阶段，TENG的传感精度常常被忽略。随着自供电传感领域的快速发展，TENG的传感精度在其商业化过程中至关重要，可以通过结构设计、材料改性和电源管理来提高其传感精度。此外，还可以使用信号处理电路来提高传感精度。

文献信息

Jianjun Luo, Zhong Lin Wang,* Recent progress of triboelectric nanogenerators: From fundamental theory to practical applications, EcoMat. 2020;2: e12059.

原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12059

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