【期刊】摩擦纳米发电机在自驱动智能交通系统的应用研究进展

摩擦纳米发电机具有供电和高灵敏度传感的双重功能，能够在自驱动智能交通系统中发挥重要作用。综述了近年来摩擦纳米发电机在公路及铁路智能交通系统中的应用，包括车辆检测、尾气处理、振动能收集、风能收集等，分析了摩擦纳米发电机在智能交通系统应用过程中存在的挑战，展望了摩擦纳米发电机在材料、信息、电子、机械、交通等多学科交叉的发展趋势。

随着智能交通的发展，安全、便捷等需求扩大，传感器的精度要求更高，监测范围更广。因此，系统所需的传感节点越来越多。虽然传感信号可通过无线方式传输到终端，减少布线复杂问题，但传感节点所需电能仍需通过传统电线供给。

王中林在2006年提出基于压电纳米发电机自驱动技术的概念，但发电功率一般在μW-nW级，难以满足一般电子器件的需求。2012年，王中林首次报道了基于摩擦起电与静电感应耦合原理的摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）。TENG所需材料成本低，制造简单轻便，可根据实际需求设计不同结构以进行匹配。TENG输出功率高，利用该项技术可将机械能转化为电能。

在交通领域中，公路交通和轨道交通都存在着大量的闲置机械能，这些都可通过TENG 收集。因TENG独特的工作方式，当其受到压力或应变时，构成摩擦层的2个聚合物薄膜之间会产生相对形变，进而监测到微小的机械力。

在交通领域中，尤其是汽车及列车的部件需要灵敏度更高的传感器，且基于部件的特殊形状，TENG拥有独特的优势与广阔的应用前景。本综述介绍自驱动智能交通系统的研究进展，主要包括TENG在公路和轨道两大交通领域的应用。

摩擦纳米发电机01摩擦起电与静电感应原理

摩擦起电是当一种材料与另一种材料发生摩擦，两者便会带上异种电荷。当这2种材料用电极及外电路导线连接起来时，电极由于静电感应效应从而产生感应电荷。由于外力使得电势差发生变化，感应电荷便会在电势差的驱动下在电路中流动从而形成电流。

基于这2种效应，可以将TENG 主要分为垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式、独立层模式4 种工作模式。

（a）第一台TENG及其实物 

（b）TENG工作原理 

 (c）TENG的4种工作模式

图1 TENG及其工作模式 

02材料增强

摩擦材料接触过程中涉及到摩擦力、功函数、电子亲和势等，都与TENG的输出性能有关。选择恰当的材料这就需要用到摩擦电序列作为定性指标。这个序列主要展示常用的一些材料得失电子能量的强弱，越靠近表的下端表示得电子能量越强，越靠近表的上端表示失电子能力越强。聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷得电子能力最强，这2种材料也是经常用来作为摩擦材料的负极材料。

由于材料表面在微观上会有凹凸不平整的粗糙结构，会降低材料之间的有效接触面积。针对这一问题，Wang等通过电感耦合等离子光谱发生仪刻蚀的方法对高分子材料表面进行刻蚀出纳米线；除此之外，在PDMS表面通过模板法构筑出微型倒金字塔结构，也可以提高有效接触面积，从而增强TENG的输出性能。

图2 材料表面结构修饰增强TENG输出性能

（a）TENG材料表面为竖直的碳纳米管

（b）氧化石墨烯掺杂在有机基体中的示意及其增强原理

（c）掺杂石墨烯后层叠结构旋涂的摩擦材料制备过程

图3 材料复合增强TENG输出性能

一些新型材料如石墨烯及其衍生物、碳纳米管等，引起了良好的导电性及材料表面的纳米级粗糙度。Zhang等通过在硅基底竖直定向地生长碳纳米管，将TENG的电压和电流分别提高了250%和300%。石墨烯及氧化石墨烯作为最重要的二维材料之一，作为摩擦材料，或作为添加剂，都有效地起到了增强TENG 输出的作用。

03结构设计

TENG 的工作模式主要分为4 种，每种工作模式下又相继衍生出性能更强、应用范围更广的堆叠式结构。仅将多个垂直接触-分离结构由n=1叠加到n=3，并联之后就可以将其输出电流由245 μA 提升至1.395 mA。通过将一种摩擦材料进行次序堆叠，可以使得在一个运动周期内，摩擦材料发生2 次接触分离，这样提高了单位时间内的输出能量。巧妙地通过折叠结构来增加发电单元的方法不仅增强了TENG 的输出，而且减少了结构体积，使其拥有更高的输出功率。

（a）折叠状TENG示意

（b）1个运动周期内摩擦材料发生2次接触分离

图4 TENG的层叠状结构设计

单一的工作模式所产生的电量有限的，施加一个外力使多种工作模式产生协同作用，则发电量也会增加。研究者提出了波浪形结构的设计，拥有波浪形结构的聚合物薄膜在外力作用下发生形变，呈现平板状。

而这一过程中，波浪结构的聚合物薄膜与上下平面状的摩擦材料发生相对滑动，呈现出水平滑动的工作模式。而同时，薄膜的形状变化使得其与上下平面状摩擦材料的接触面积发生了变化，也呈现出垂直接触-分离的工作模式。

图5 波浪形结构TENG及其制备过程

智能交通系统的应用01公路交通的应用

随着人们对安全性和舒适度要求的不断提高，公路交通的智能化越来越受到人们的关注。

运行中车辆的检测与能量收集

公路交通中最为关键的是车辆运行过程中的信号检测，轮胎的检测与能量收集成了热门研究。Lee等利用磁铁的异性相吸原理，将TENG 集成到车辆的轮胎上，并探究了不同磁场与轮胎不同转速下TENG 的输出。已经验证可为商用无线传感设备供电。

通过更加密集的胎内装置TENG，Guo等得到了一种输出更高的车胎能量收集装置，可以达到输出功率1.2 W。Askari等系统地从概念、设计、封装、实验等方面阐释了将其作为轮胎状态检测手段的优势。当然，车辆制动过程中瞬间释放的能量可以通过TENG 进行回收再利用。

（a）基于轮胎能量收集的磁铁驱动TENG

（b）胎内装置TENG示意及其工作机理

图6 TENG用于车辆轮胎能量收集

发动机作为汽车动力之源是汽车最重要的部分之一。Zhang等将TENG集成在汽车发动机上，利用液态金属与静电纺丝的聚合物薄膜较大比表面积和对微弱振动的灵敏感知，可使TENG检测出发动机在开始启动时与结束时震动频率与振幅的变化。除此之外，作为高灵敏度的检测单元，将TENG进行结构设计制备成为加速度传感器、速度传感器、角度传感器等，应用到汽车上可以检测到来自各个方位的碰撞情况。

由于TENG所使用材料为聚合物，可以将其胎内装置TENG示意及其工作机理制备成柔性器件应用到驾驶人员身体上，来检测驾驶人员眨眼等身体动作，避免司机疲劳驾驶。而TENG本身高的灵敏度和短的响应时间使得其在刹车制动和油门检测方面也独具优势。

车辆行驶的路面检测

利用 TENG与太阳能电池相结合的方式，对公路上的风能与太阳能进行收集后，用于无线信号的收发传输到电脑终端加以分析，对路况进行实时监测，检测过往车辆的数量及车速，可在限速路段提醒驾驶人员以避免不必要的事故。

（a）基于TENG的加速度传感器示意及其应用在汽车发动机上的检测情况  

(b)基于TENG的加速度传感器应用结构示意及应用场景

图7 TENG用于车辆传感系

车辆与路面之间所产生的机械能也可以进行收集，Askari等阐述了用以车辆检测的电磁-摩擦杂化纳米发电机制备过程，Zhang等通过实验手段论证了可实施性。在汽车倒车过程中，会有亮灯提示车辆已到达指定位置，避免发生碰撞。

当然，轮胎与地面之间的相互接触也可以看作是垂直接触-分离以及水平滑动的协同工作模式，而由于公路与大地相连，从某种意义上来讲也是单电极模式的一种。Mao等最终成功地将６颗商用LED点亮。

图8 TENG应用在汽车驾驶人员的检测数据及应用场景

（a）收集道路中汽车所带来的风能用于无线信号的收发（b）无线车流量计检测过往车辆的数量及行驶速度

图9 TENG用于路面风能收集和传感

车辆尾气处理

TENG由于独特的工作原理，在摩擦材料接触分离后会带有静电荷，对于粉尘、PM2.5具有吸附作用。许多研究通过静电纺丝的方法制备出摩擦材料，封装成TENG。空气经过TENG 后，很多小颗粒会吸附到静电纺丝膜上，这样空气便得到了净化。

这种新的方法可以有效地去除掉PM2.5，且不需要额外排放诸如臭氧等其他气体。将这项新型技术应用到汽车尾气的净化上，去除尾气中的PM2.5。TENG可以作为能量收集装置使用。尾气中其他有害气体也可以通过改进的TENG来进行实时检测报警提醒，提高车辆智能化程度。

（a）利用摩擦与电磁杂化的纳米发电机收集汽车行驶过程中路过减速带时的能量

（b）单电极模式的TENG收集轮胎与路面间的能量

图10 TENG用于车辆/路面机械能收集

（a）塑料小球摩擦后带有电荷从而吸附汽车尾气中的PM2.5

（b）以TENG供电的气体传感器检测汽车尾气以预警

图11 TENG用于汽车尾气处理

02轨道交通的应用

轨道交通作为陆地上长途交通的主要方式。如何尽快发展与之匹配的智能化检测手段，推动轨道交通领域的智能化发展，是目前该领域一个亟需解决的问题。

列车零部件检测与振动能收集

轨道列车的舒适度已经大大提升，但一些关键零件部位的检测需要实时地进行。虽然检测信号可以通过无线传输的方式传输到终端进行分析，但检测所用传感器的供电涉及到排线布线。复杂的布线维修难度大，可能会对检测信号产生一定的干扰。因此采用“自驱动”的方式为无线传感器进行供电是目前的最佳方案。

已有研究证明，在列车行驶过程中的振动能可以成功地被收集起来。而将TENG集成到列车上收集行驶中的振动能，并最终将能量用作Zigbee的数据传输，实现了无线传感的自驱动。将电磁与摩擦2种发电方式相结合，可以更高效地进行能量收集，并为电容器充电。

Jin等特别针对列车转向架的复杂布线问题，设计出磁悬浮式的杂化纳米发电机，不仅可以在20 Hz下持续地为无线传感器供电从而实现自驱动化，而且经过水的冲洗后性能没有衰减，完全可以适应雨水等室外环境。将多个杂化纳米发电机在柔性基底上进行集成，对于列车转向架不同位置的不同形状有着很好的适应性，并且可以依此推广到列车其他部位，最终达到列车整体智能化。

图12 TENG用于列车转向架的自驱动传感系统

轨道振动能收集

确保列车轨道的安全，需要定期进行检测与维修。收集振动能这种方法不仅可以实现轨道检测的自驱动化，而且将一部分振动能转化为了电能，减少了振动对轨道所带来的损害，一举两得。

地铁隧道风能收集

地铁不同于普通的轨道交通方式，地铁几乎都是在地下运行，所以在隧道中产生的风能成为另外一种独有的能量方式。

Wang等以此为背景，设计了树状的TENG，“树叶”与“树干”拥有不同的发电结构，多个“树叶”与“树干”共同组成TENG 发电树。在不同的风速下，“发电树”拥有不同的电学输出性能，其电压、电流最高可以达到330 V 及59.6μA，可以成功地点亮145颗商用LED灯珠。

由于TENG无需磁铁且体积较小，不会影响隧道内的正常工作。基于此背景，许多用于风能收集的TENG都可以用来收集隧道中的风能。

图13 具有“树干”与“树叶”双发电单元的“发电树”示意

结  论

物联网的快速发展与先进的材料纳米技术掀起了交通领域智能化的一场革命。让交通领域传感器摆脱复杂的布线，使得信号传输无线化、能量供给自驱动化，是智能交通未来发展的关键一步。需物联网领域与材料纳米技术共同发展，进一步提高TENG的输出功率。

由于 TENG能量收集的时域性问题，需要搭配后端电源管理电路，管理收集到的能量，从而更好地为传感器提供电能。这为微电子领域提供了一项挑战。

新型的TENG，其优良的输出性能与低价成本吸引了大量学者对其进行研究，但将其应用在智能交通领域的研究却较少。相信通过2个领域的不断交叉与融合，TENG会在智能交通领域有更多的应用，造福人类。

本文作者：靳龙，张磊，张彬彬，杨维清

作者简介：靳龙，西南交通大学材料科学与工程学院，材料先进技术教育部重点实验室，博士研究生，研究方向为压电与摩擦电材料器件，杨维清（通信作者），西南交通大学材料科学与工程学院，材料先进技术教育部重点实验室，教授，研究方向为纳米能源材料与功能器件。

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