中科院納米能源所&北京科技Nano Energy：位于鞋底的摩擦納米發電機收集行走時的低頻能量

【引言】

可穿戴電子器件已經成為系統功能化時代的研究焦點。每個人可能都受到這些創新帶來的便利，例如生物反饋、基于可持續電源的生理功能跟蹤。電化學電池，如鋰離子電池，是當前可攜帶電子器件主要的電源設備。然而這些傳統的電池很笨重，不能在自供電模式下工作，不適合現有的微型可塑設備。為解決這些問題，基于摩擦起電和靜電感應耦合的摩擦納米發電機（TENG）應運而生。當前，TENG從環境中收集機械能量已經被廣泛研究。例如王中林小組研究的超薄柔性單電極TENG可以收集人行走和環境中的機械能以及有助于睡眠監測和實時移動醫療服務的自驅動系統。迄今，TENG已經取得了快速的發展，但是對于TENG的制備，需要特殊的摩擦材料以及電極層，這導致生產過程復雜，不適合在生活中普遍推廣。為此，研究人員構建了一種新的TENG，能夠將行走時的低頻能量轉化為電能。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所及北京科技大學的曹霞研究員、北京科技大學數理學院王寧教授（共同通訊作者）研究小組構建了一種新的TENG。該TENG以人體和地面作為摩擦系統的電極，有助于橡膠鞋底收集人行走時的機械能。在低頻下，發電機產生的開路電壓和短路電流可以達到400V和12μA。該研究成果以“Natural Triboelectric Nanogenerator Based on Soles for Harvesting Low-Frequency Walking Energy”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 系統的結構設計

（a）系統的工作模型； ? ? ? ? ? ?（b）工作系統的照片；

（c）系統的開路電壓； ? ? ? ? ? （d）系統的短路電流。

圖2. 系統的工作機理

圖3. 摩擦納米發電機的性能

（a）? 在不同面積下，系統的短路電流；

（b）? 在不同頻率下，系統的短路電流；

（c）? 開路電壓和短路電流在不同負載下的輸出（面積：250cm²，頻率：2Hz）；

（d）? 在不同負載下的功率密度。

圖4. 外界因素對發電機輸出的影響

（a）? 在不同鞋底材料下的短路電流輸出；

（b）? 在不同地板材料下的短路電流輸出；

（c）? 在0~6kg的載荷下，短路電流輸出；

（d）? 系統的穩定性測試。

圖5. 可穿戴、便攜式自驅動系統的應用

（a）? 發光觸摸壁紙的照片；

（b）? 發光登山杖照片；

（c）? 發光鞋照片。

【小結】

研究人員設計了一種可以收集人行走產生機械能量的TENG。以人和地面作為摩擦起電系統的電極，便于自驅動系統的集成。橡膠鞋底和地面壓縮和釋放過程將產生摩擦起電效應和電荷分離。在低頻下，發電機產生的開路電壓和短路電流可以達到400V和12μA。這個工作為設計可穿戴器件和低頻能量收集提供了有效途徑。

文獻鏈接：Natural Triboelectric Nanogenerator Based on Soles for Harvesting Low-Frequency Walking Energy（Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.029）

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