中科院張弛團隊AEM：用于收集水平和旋轉機械能的獨立式摩擦伏特發電機

01 導讀：

隨著物聯網技術的發展，傳感器網絡節點對電池高度依賴，必然導致維護成本高、回收困難、環境污染等問題。為了滿足日益增長的新型能源需求，能夠從周圍環境中有效收集能量的創新技術已成為傳統能源的重要替代。據調查，人類一次性能源中約有1/3是通過摩擦消耗的。工業設備中的基礎機械零部件，如軸承、齒輪、皮帶輪等，都存在大量的摩擦能量消耗。如果能實現對摩擦能量的高效回收并利用其為傳感器節點供電將具有巨大的意義。

2012年，摩擦納米發電機(TENG)首次被提出，作為一項有前途的技術，它可以將無處不在的機械能轉化為驅動小型電子器件的電能。然而，TENG的一些固有缺陷極大地限制了其廣泛應用，如高阻抗和低電流密度。

近年來，國內外學者將摩擦電材料從絕緣聚合物擴展到范圍廣泛的半導體并觀察到了直流電的輸出。2019年底至2020年初，王中林院士和張弛研究員團隊針對這種新的實驗現象，首次提出并定義了摩擦伏特效應：半導體界面在摩擦作用下產生直流電的現象（Materials Today 2019, 30, 34; Advanced Energy Materials 2020,?10, 1903713.）。與TENG相比，摩擦伏特發電機(TVNG)具有低阻抗和高電流密度的優點。然而，在目前的TVNG基本結構中，滑動異質結的每一端都需要附著電極和導線。這就導致輸出端不能擺脫導線的束縛進行自由運動，這極大地限制了TVNG從滑動和旋轉機構中收集機械能的適用性。

02 成果掠影：

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員團隊報道了一種具有兩個固定半導體層和一個獨立移動金屬層的獨立式摩擦伏特發電機(FTVNG)。由于獨特的結構設計，FTVNG在運動端無需連接導線的情況下，即可從運動部件中獲取能量。

相關研究成果以“Freestanding-Mode Tribovoltaic Nanogenerator for Harvesting Sliding and Rotational Mechanical Energy”為題發表于Advanced Energy Materials期刊。中科院納米能源所2020級碩士生董思成、布天昭博士和2020級博士生王昭政為該論文共同第一作者，張弛研究員為該論文通訊作者。

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03 核心創新點：

1. 本項工作中提出了一種獨立模式的摩擦伏特發電機，獨特的結構設計使得發電機可以在運動端無需連接導線的情況下收集運動物體的能量。
2. 本項工作中提出了一種獨立式摩擦伏特發電機集成的摩擦電軸承，實現了在基礎零部件中的能量回收和速度傳感，展示了摩擦伏特器件在基礎零部件中的應用前景。

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04 數據概覽：

圖一： FTVNG的結構和電輸出特性

圖二：FTVNG的工作原理

圖三：旋轉FTVNG的結構和電輸出特性

圖四：FTVNG的應用和前景展望

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05 成果啟示：

本工作提出了一種獨立式摩擦伏特發電機(FTVNG)。在運動端無需連接任何導線的情況下，FTVNG即可從運動部件中獲取能量。此外，通過將FTVNG集成到傳統的滾動軸承中，制成了摩擦電軸承，實現了在基礎零部件中的能量回收和速度傳感。該項工作為摩擦伏特器件與工業零部件的結合提供了有效的途徑，推動摩擦伏特效應新興領域的發展；同時，也展現出摩擦伏特器件為無線網絡節點供能的潛力，有望推動工業物聯網的自驅動化和智能化。

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文獻鏈接：

Sicheng Dong#; Tianzhao Bu#; Zhaozheng Wang#; Yuan Feng; Guoxu Liu; Jianhua Zeng; Zhihao Wang; Jie Cao; Zhi Zhang; Feng Liu; Chi Zhang*. Freestanding Tribovoltaic Nanogenerator for Harvesting Sliding and Rotational Mechanical Energy. Advanced Energy Materials, 2023, DOI：10.1002/aenm.202300079.

(https://doi.org/10.1002/aenm.202300079)

本文由作者供稿