納米發(fā)電機(jī)（Nanogenerator, NG）是一種微型能量轉(zhuǎn)換裝置，通過壓電效應(yīng)或者摩擦電效應(yīng)將環(huán)境中低頻無序的高能源（機(jī)械能）轉(zhuǎn)化成可被利用的低熵能源（電能），從而實現(xiàn)被浪費(fèi)能源的再次利用。是世界上最小的發(fā)電機(jī)。
壓電納米發(fā)電機(jī)是最早出現(xiàn)的納米發(fā)電機(jī)，是 2006 年由美國佐治亞州理工大學(xué)的王中林教授小組提出的。在2012年，王中林教授研究組的Feng-Ru Fan博士首次提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念。
納米發(fā)電機(jī)從發(fā)電原理的差異上區(qū)分，納米發(fā)電機(jī)主要包含三類：壓電、摩擦電和熱釋電。其中，壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）和摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）是收集機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而熱釋電納米發(fā)電機(jī)（PyENG）則可以收集熱能轉(zhuǎn)化為電能。因其具有自供電、重量輕、制造方便等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)被應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如自驅(qū)動傳感領(lǐng)域、微納能源領(lǐng)域和藍(lán)色能源領(lǐng)域等。
簡史
壓電納米發(fā)電機(jī)是最早出現(xiàn)的納米發(fā)電機(jī)，是 2006 年由美國佐治亞州理工大學(xué)的王中林教授小組提出的。2007年，王旭東等人在單根 ZnO 線納米發(fā)電機(jī)的研究基礎(chǔ)上，利用鍍有Pt層的鋸齒形硅電極取代了原子力顯微鏡探針，將其與垂直生長的ZnO 納米線陣列扣合封裝，制作出超聲波 驅(qū)動的壓電納米發(fā)電機(jī)。為了擴(kuò)展納米發(fā)電機(jī)的適用范圍，2008年，秦勇和王旭東等人發(fā)明了可收集低頻率機(jī)械能的纖維基壓電納米發(fā)電機(jī)。為了進(jìn)一步提高納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，使其更加實用化，2010年，徐升和秦勇等人通過微納米加工技術(shù)將大量定向生長的ZnO納米線串并聯(lián)，得到ZnO納米線橫向集成的壓電納米發(fā)電機(jī)。為了增強(qiáng)納米發(fā)電機(jī)的實用性，開發(fā)不同驅(qū)動方式、收集不同形式機(jī)械能的納米發(fā)電機(jī)成為納米發(fā)電機(jī)研究領(lǐng)域的一個重要方向。王中林教授研究組的Feng-Ru Fan博士于2012 年首次提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念，并研究了摩擦層表面不同微納米結(jié)構(gòu)對摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響。同年，Long Lin等人通過在PDMS基底上水熱生長ZnO納米線陣列制備出透明柔性的壓電納米發(fā)電機(jī)；崔暖洋等人報道了一種可以通過磁場作用來驅(qū)動的非接觸式壓電納米發(fā)電機(jī)。
2013年,Sangmin Lee等人通過在帶有AAO的AI箔片上生長ZnO納米線陣列制作出16微米厚的超薄壓電納米發(fā)電機(jī)。同年，Zong-hong Lin等人利用Au納米顆粒層和PDMS作為摩擦層制備出具有較高輸出性能的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī),并使用這種摩擦納米發(fā)電機(jī)作為自供能Hg2*離子傳感器與一個LED燈組成完全自供能的Hg2*離子傳感系統(tǒng)。
2014年，Zong-hong Lin等人利用修飾有PFTS的納米TiO2層作為摩擦層制備了能夠收集流水能量的接觸滑動式單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)，并利用這種水摩擦納米發(fā)電機(jī)作為傳感器檢測水中乙醇的含量。
基本原理
壓電納米發(fā)電機(jī)
壓電納米發(fā)電機(jī)是一種基于壓電效應(yīng)，能收集環(huán)境中微弱的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化成電能的裝置。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。壓電納米發(fā)電機(jī)以壓電材料為核心，在軸向的兩個表面制作電極。當(dāng)壓電材料在外力作用下發(fā)生形變時，其內(nèi)部晶格的正負(fù)電荷中心發(fā)生偏移，形成極化電場，從而在材料表面形成束縛電荷。此時，表面的電極將感應(yīng)出等量的相反電荷，從而在外電路中形成電流。
摩擦納米發(fā)電機(jī)
摩擦納米發(fā)電機(jī)是基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)兩者耦合進(jìn)行工作，其基本工作原理如圖2所示。在開始狀態(tài)，兩個摩擦層表面都不帶電荷，電極之間也沒有電壓（圖 2a-Ⅰ）。當(dāng)有外力施加在樣品表面的時候，兩個摩擦材料表面相互接觸。由于摩擦起電效應(yīng)，兩種摩擦材料的接觸部分產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移。得電子能力強(qiáng)的材料表面帶負(fù)電，反之帶正電。由于這些電荷被局限在摩擦材料表面，且兩者緊密接觸，使得兩個電極之間依然沒有電勢差的存在（圖2a-Ⅱ）。當(dāng)施加的外力撤去之后，由于材料自身的彈性或者其他結(jié)構(gòu)設(shè)計賦予的彈性，兩個帶電的摩擦層會發(fā)生分離。此時，兩個電極之間會形成電壓（圖2a-Ⅲ）。在施加的力逐漸撤去的過程中，兩個電極之間的電壓會持續(xù)升高。直到兩個摩擦層回到初始位置，電壓達(dá)到最大值（圖2a-Ⅳ和Ⅴ）。如果此時重新對其加載壓力，使兩個摩擦層之間的距離越來越接近直到完全接觸，那么兩個電極之間的電勢差將逐漸降低直到降為零（圖 2a-Ⅵ）。此時，一個完整的工作循環(huán)完成。
如果把兩個電極短接，當(dāng)兩個摩擦層分離時，兩個電極間的電壓將驅(qū)動電子流經(jīng)外電路，形成電流。當(dāng)兩個摩擦層靠近時，兩個電極間的反向電勢差將再次驅(qū)動外電路電子流過。因此，一個完整的工作循環(huán)對應(yīng)著正負(fù)兩個脈沖電流峰。
熱釋電納米發(fā)電機(jī)
熱釋電納米發(fā)電機(jī)是利用具有熱釋電效應(yīng)的納米材料把溫度變化轉(zhuǎn)化為電能的一種能量收集器。常用的熱釋電材料有ZnO、PZT、BTO、PVDF及其復(fù)合材料等。
基本構(gòu)造
壓電納米發(fā)電機(jī)
平行板結(jié)構(gòu)是PNG的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，延續(xù)了測試壓電材料壓電性能時的形態(tài)。該形態(tài)下，將壓電材料夾置于兩層絕緣片狀材料之間，在絕緣材料與壓電材料的兩個接觸面各引出導(dǎo)電板(或?qū)Ь€),外接儀器測量壓電響應(yīng)時的性能。這種結(jié)構(gòu)被稱為平行板結(jié)構(gòu)。
摩擦納米發(fā)電機(jī)
TENG利用兩個摩擦層的電極性不同，基于摩擦電效應(yīng)而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移從而產(chǎn)生電壓。TENG一般都有兩個摩擦電層及對應(yīng)的電極層，有的TENG還有電荷俘獲層。目前大部分TENG是由摩擦電層、電極層等普通層狀疊合得到的接觸式TENG。GASPARINI C等將摻雜氧化石墨烯(GO)的PVDF紡絲液直接常規(guī)靜電紡絲并鍍金作為一個電極，再利用常規(guī)靜電紡絲鍍金聚酰胺6納米纖維膜作為另一個電極，以兩個電極作為電極層，以聚胺6納米纖維膜作為正摩擦電層，以摻雜GO的PVDF納米纖維膜作為負(fù)摩擦電層，四層直接疊合組成TENG。
分類
根據(jù)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能原理的不同，納米發(fā)電機(jī)可以分為壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)和摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)。
主流的納米發(fā)電機(jī)有壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)、摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)和熱釋電納米發(fā)電機(jī)，PENG 和TENG 利用材料的壓電、摩擦電和靜電感應(yīng)將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而熱釋電納米發(fā)電機(jī)通過納米級熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)將收集的熱能轉(zhuǎn)化為電能。
納米發(fā)電機(jī)按照發(fā)電機(jī)理的不同，可以分為三類，即壓電發(fā)電機(jī)，摩擦電納米發(fā)電機(jī)和熱釋電納米發(fā)電機(jī)。壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦電納米發(fā)電機(jī)能夠?qū)⑼饨绲臋C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，熱釋電納米發(fā)電機(jī)能將溫度隨著時間變化而改變的熱能轉(zhuǎn)換為電能。
壓電納米發(fā)電機(jī)
壓電材料在外部機(jī)械刺激下產(chǎn)生壓電勢的過程就是壓電效應(yīng)，基于此效應(yīng)，Wang等首次提出了氧化鋅納米線陣列的壓電納米發(fā)電機(jī)，此后，關(guān)于壓電納米發(fā)電機(jī)的研究逐年增加。
壓電納米發(fā)電機(jī)是由壓電層、電極層和保護(hù)層組成，如圖2(a)所示，藍(lán)色為壓電層，橙色為電極層，綠色為保護(hù)層，壓電納米發(fā)電機(jī)的工作原理是當(dāng)外界的機(jī)械刺激(材料彎曲或壓縮)作用到壓電納米發(fā)電機(jī)時，壓電層中的偶極子會發(fā)生變化，從而改變兩極的電荷密度產(chǎn)生壓電電流，隨后電極層將壓電層產(chǎn)生的電流通過導(dǎo)線傳輸?shù)酵獠侩娐分?，而保護(hù)層可以為納米發(fā)電機(jī)提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度和可恢復(fù)性。
摩擦納米發(fā)電機(jī)
摩擦起電是指兩種不同的物質(zhì)接觸時電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，因為摩擦起電產(chǎn)生的電壓較高，人們認(rèn)為這種現(xiàn)象會影響日常生活，因此開發(fā)了消除靜電的技術(shù)。然而，在2012年由Wang等提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)改變了人們對摩擦電的思路，摩擦電也可以作為一種可收集的綠色能源為電子設(shè)備提供電能。
摩擦納米發(fā)電機(jī)是通過摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)的耦合作用將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，它是由負(fù)摩擦電層、正摩擦電層、電極層和具有支撐作用的基片組成，基片可以賦予摩擦納米發(fā)電機(jī)裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。摩擦納米發(fā)電機(jī)有四種工作方式，分別是：垂直接觸分離模式、橫向滑移模式、獨立層模式和單電極模式。垂直接觸分離模式是最常見的結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，它是通過兩個摩擦帶電材料進(jìn)行重復(fù)的垂直接觸與分離產(chǎn)生周期性電流；如圖2(c)所示，橫向滑移模式是通過兩個摩擦帶電材料表面之間的滑動摩擦導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移從而產(chǎn)生電壓；如圖2(e)所示，獨立層模式是由兩個固定的電極和一個摩擦電極組成，它是通過摩擦電極在固定的電極上滑動，導(dǎo)致兩個固定電極產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生輸出電流；如圖2(d)所示，單電極模式只需要一個電極，電極連接負(fù)載后接地，與地球產(chǎn)生電勢差實現(xiàn)電子的流動，這種單電極模式的TENG常用于柔性可穿戴設(shè)備，特別是電子皮膚。
熱釋電納米發(fā)電機(jī)
熱釋電納米發(fā)電機(jī)是利用納米材料的熱釋電效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。先前，人們都是利用塞貝克效應(yīng)來收集熱能，所謂塞貝克效應(yīng)是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的現(xiàn)象。如果外界溫度沒有梯度而是隨著時間的變化而改變，塞貝克效應(yīng)就失去了效用，這時候就得利用熱釋電效應(yīng)來收集熱能了。熱式電效應(yīng)是指，由于溫度波動而在各向異性的固體材料中產(chǎn)生的自發(fā)極化現(xiàn)象。這種熱釋電納米發(fā)電機(jī)能夠收集廢熱能，對環(huán)境監(jiān)測、溫度成像、生物診斷以及個人電子設(shè)備等提供電源。
應(yīng)用領(lǐng)域
納米發(fā)電機(jī)因其簡單的結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的轉(zhuǎn)換效率和高效的輸出性能，被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。總結(jié)來說分為四個大類：微納能源，自驅(qū)動傳感，藍(lán)色能源以及高壓能源應(yīng)用。以手機(jī)為代表的便攜電子設(shè)備和可穿戴的物聯(lián)網(wǎng)終端越來越普及，涉及到人類生活的各個方面，包括通訊，健康監(jiān)測，人機(jī)互聯(lián)，運(yùn)動傳感以及出行等。同時，人體運(yùn)動過程消耗的能量總量相當(dāng)可觀，納米發(fā)電機(jī)能夠高效地收集這些能量，并為隨身攜帶的電子設(shè)備供能。針對人體運(yùn)動能量的收集應(yīng)用，研究者們設(shè)計出不同的結(jié)構(gòu)，包括皮膚基，織物基，以及纖維基納米發(fā)電機(jī)等。
微納能源
隨著世界逐漸進(jìn)入以物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人和人工智能等為代表的新時代，數(shù)以萬億計且廣泛分布的電子器件對能源的需求和能源結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)。TENG具有質(zhì)量輕、體積小、材料選擇廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、易安裝、免維護(hù)等特點，且多樣化的工作模式可以適應(yīng)不同的工作場景，已經(jīng)被證實能夠?qū)⑷梭w和環(huán)境中的機(jī)械能收集起來，實現(xiàn)電子器件和傳感器的可持續(xù)工作，正是解決新時代分布式電子器件供能的理想解決方案。TENG在收集環(huán)境低頻機(jī)械能方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，在植入式醫(yī)療、可穿戴電子以及物聯(lián)網(wǎng)器件的供能方面潛力巨大?；赥ENG實現(xiàn)電子器件的自驅(qū)動化可以擺脫電源的制約，為新時代分布式電子器件的供能提供了新的范式，是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展微小集成化、無線移動化、功能智能化的重要技術(shù)支撐。
自驅(qū)動傳感
TENG不但可用于微納能源收集，還可用作自驅(qū)動傳感器，即無需外部電源驅(qū)動，是一種實現(xiàn)自供電功能的新型傳感技術(shù)手段。摩擦電式傳感器具有多形態(tài)、低成本的優(yōu)勢，在人體運(yùn)動/健康、生物醫(yī)療、人機(jī)交互、環(huán)境監(jiān)測及基礎(chǔ)設(shè)施安全等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。通過與信號處理和傳輸模塊集成，可以進(jìn)一步實現(xiàn)摩擦電式自供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和無線傳感?；赥ENG的自驅(qū)動傳感技術(shù)的提出，不僅推進(jìn)了TENG的實際應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化實施，還將為中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與技術(shù)升級提供支撐，并有望推動當(dāng)代經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型。
藍(lán)色能源
目前，海洋能開發(fā)的主要技術(shù)路徑是將海洋能量轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)裝置中機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，經(jīng)過傳動裝置的調(diào)理，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電磁式發(fā)電機(jī)的動力而發(fā)電。此路徑技術(shù)復(fù)雜、效率低、維護(hù)和運(yùn)行成本高、裝置可靠性差，制約其大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)利用和發(fā)展。而TENG對于收集無序、低頻海洋能源具有顯著優(yōu)勢，帶來了海洋能高效開發(fā)利用的全新機(jī)遇和未來，有望構(gòu)建劃時代的智慧海洋，高效利用海洋能源、生物、礦場、水等稀缺資源，以及全方位獲取輻射、污染、洋流、軍事等重要信息，為碳中和提供新的范式。
高壓電源
TENG的高電壓、低電流特性使其可作為新型高壓電源，具有較好便攜性和安全性?；赥ENG的新型高壓電源通常無需復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換器，可極大簡化整個系統(tǒng)，且較低的電流對人員和儀器安全威脅較小，在大幅減小高壓電源體積的前提下，兼具輕巧、實用、方便且高效的優(yōu)點。因此，開發(fā)基于TENG的新型高壓電源具有極大應(yīng)用價值，在高端生物與化學(xué)分析儀器、廢棄物回收和空氣凈化方面展現(xiàn)出應(yīng)用前景。此外，基于TENG的高壓電源在自驅(qū)動靜電紡絲、微流泵、微流控、微等離子體激發(fā)及靜電驅(qū)動等方面應(yīng)用潛力很大。開發(fā)基于TENG的新型高壓電源可滿足電子設(shè)備小型化、高效化和高性能化的新時代需求。
發(fā)展趨勢
(1)在壓電材料中引入其他功能材料，如熱釋電、光電、摩擦電、電磁屏蔽材料等，以賦予PNG多種功能，提升PNG的綜合輸出性能和拓寬其應(yīng)用范圍。
(2)將壓電理論與摩擦電、熱釋電、光電等發(fā)電理論結(jié)合，探究不同材料性能表現(xiàn)間的相互關(guān)系，明確不同材料的耦合作用，如電荷存在狀態(tài)的變化過程、電荷轉(zhuǎn)移方向、分子構(gòu)型對電荷轉(zhuǎn)移的影響、不同材料在宏觀結(jié)構(gòu)上的匹配方式等，以豐富PNG及其混合器件的基礎(chǔ)理論，指導(dǎo)PNG及其混合器件的研制與優(yōu)化，研制具有多源能量采集能力的混合納米發(fā)電機(jī)。
(3)依據(jù)非常規(guī)應(yīng)用的性能需求，創(chuàng)新構(gòu)思、開放設(shè)計PNG及其混合器件的結(jié)構(gòu)，如工業(yè)領(lǐng)域的便攜式設(shè)備、紡織領(lǐng)域的智能可穿戴設(shè)備與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的自驅(qū)動心臟起搏器等，以提高其對機(jī)械能的感應(yīng)能力和傳感靈敏度，擴(kuò)寬應(yīng)用范圍，提升應(yīng)用價值。
(4)將采能模塊、儲能模塊、輸能模塊集成，實現(xiàn)PNG及其混合器件的微型化，并探索更為便捷、有效的封裝方法，構(gòu)建完全柔性的自驅(qū)動系統(tǒng)，進(jìn)一步實現(xiàn)高輸出性能、高功率、高轉(zhuǎn)化效率的高效能目標(biāo)。
社會評價
納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明，被中國兩院院士評為2006年度世界科學(xué)十大科技進(jìn)展之一；2008年，被英國《物理世界》評選為世界科技重大進(jìn)展之一；2009年，《MITTechnologyReview》評選為十大創(chuàng)新技術(shù)之一;《ScienceWatch》在有關(guān)能源和燃料的一刊中重點報道了王教授發(fā)明納米發(fā)電機(jī)的過程和重大意義；英國《新科學(xué)人》期刊把納米發(fā)電機(jī)評為在未來十到三十年以后可以和手機(jī)的發(fā)明具有同等重要性和影響的十大重要技術(shù)之一。
參考資料 >
瞭望｜摩擦摩擦，這位外籍院士告訴你納米發(fā)電機(jī)如何讓“海洋發(fā)電”——專訪中國科學(xué)院外籍院士、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林 .百家號.2023-11-21
科學(xué)新知|從身體及環(huán)境中收集能量，自驅(qū)動技術(shù)有望解決心臟電子設(shè)備供能難題.澎湃新聞.2023-11-21
壓電電子學(xué)、壓電光電子學(xué)和納米發(fā)電技術(shù)的未來趨勢.光學(xué)期刊網(wǎng).2023-11-21