中科院張弛團隊AM：一種超高功率密度、超低磨損的GaN基摩擦伏特納米發電機，作為滑動滾珠軸承用于自供電無線傳感

【導讀】

隨著物聯網（IoT）技術的進步，傳感器網絡節點對電池的嚴重依賴不可避免地導致維護成本高、回收困難和環境污染問題。對于物聯網節點數量多、分布廣、能耗低的問題，最合適的方法是直接從環境中獲取能量來為傳感器節點供電。根據一項調查，全球約有三分之一的一次能源是通過摩擦消耗的，例如軸承和齒輪。如果摩擦能能夠得到有效的回收和利用，對電池的依賴將大大減少，從而緩解環境污染問題。摩擦納米發電機（TENG）是一種基于接觸起電和靜電感應的結構簡單、成本低廉的機電轉換裝置。一些早期的工作利用基于TENG的軸承作為有源傳感器來實現轉速監控。然而，由于TENG接觸起電的發電原理和低電流的局限性，難以開發出高功率密度器件。

2019年底，中國科學院北京納米能源與系統研究所（簡稱納米能源所）王中林院士在一篇綜述展望中，預測并提出了摩擦伏特效應（Tribovoltaic effect）（Materials Today 2019, 30, 34）。2020年初，納米能源所張弛研究員團隊通過金屬-半導體界面摩擦的實驗驗證，首次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（Advanced Energy Materials 2020, 10, 1903713）。摩擦伏特納米發電機（TVNG）具有高電流密度（~A m^-2）和低阻抗（~kΩ）的特點，尤其是張弛研究員團隊研究的氮化鎵基TVNG屢次刷新摩擦電輸出的性能記錄（Advanced Materials 2022, 34, 2200146; Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373），有望實現高功率器件。但是，以非常小的接觸面積實現高電輸出極具挑戰性。而且，界面摩擦會在材料工作一定時間后造成明顯的表面劃痕，導致TVNG性能急劇下降。為了實現軸承摩擦能的高效回收和利用，需要TVNG兼具高性能和高耐磨性，同時還要考慮與結構功能的集成。

【成果掠影】

近日，納米能源所張弛研究員團隊發明了一種使用由氮化鎵（GaN）和鋼球組成的圓盤球結構的TVNG。該TVNG開路電壓超過130 V，超高歸一化平均功率密度（APD）為24.6 kW m^-2 Hz^-1，相比之前最先進的工作提高了282倍。同時，該TVNG在906.6 MPa的最大接觸壓力下達到5×10^-7 mm³ N^-1 m^-1的超低磨損率，比同樣用Si構成的TVNG高出三個數量級。該工作不僅實現了高性能和低磨損的GaN基TVNG，還實現了工業軸承的摩擦能量收集，展示了智能組件和自供電傳感器節點在工業物聯網中的巨大潛力。

相關研究成果以“An Ultrahigh Power Density and Ultralow Wear GaN-Based Tribovoltaic Nanogenerator for Sliding Ball Bearing as Self-Powered Wireless Sensor Node”為題發表在Advanced Materials期刊上。中國科學院北京納米能源與系統研究所的張之副研究員為論文的第一作者，張弛研究員為論文的通信作者。

【核心創新點】

1.球盤式GaN基TVNG的開路電壓高達130 V和APD高達6 kW m^-2 Hz^-1。在906.6 MPa的接觸壓力下，TVNG能實現2.5×10^-7 mm³ N^-1 m^-1的超低磨損率。

2.通過詳細實驗和第一性原理計算，發現GaN和WC界面具有更穩定的結構，從而減少了磨損，而且費米能級處能態的重疊更有利于電子傳輸，實現高輸出。

3.構建首個滑動滾珠軸承，即使經100萬次工作循環，仍可保持80%的開路電壓輸出。在每分鐘300轉的速度下，每16秒即可實現一次氣壓和溫度信號傳輸。

【數據概覽】

圖1. 球盤式TVNG及其電輸出特性

圖2. GaN、Si、PEDOT:PSS組成的TVNG的性能對比

圖3.TVNG的工作機理和耐磨機理。

圖4.摩擦伏特滑動球軸承及其性能。

圖5.自供電系統和應用驗證。

5、成果啟示：

總之，本論文提出了一種基于GaN和鋼球組成的球盤結構TVNG，展現出超高的電輸出和超低的磨損率。第一性原理計算表明，與硅鋼球接觸相比，氮化鎵-鋼球界面表現出更穩定的特性。費米能級上能態的重疊，增強了電子傳輸并提高了TVNG的輸出性能。此外，我們還制造了首個摩擦伏特滑動球軸承。該軸承即使在承受100萬次工作循環后仍能保持80%的開路電壓輸出。在每分鐘300轉的速度下，每16秒即可實現一次氣壓和溫度信號的傳輸。這些工作展現了TVNG在工業物聯網中智能組件和自供電傳感器節點中的應用前景。

文獻鏈接：

Zhi Zhang, Ning Wu, Likun Gong, Ruifei Luan, Jie Cao, Chi Zhang*. An ultrahigh power density and ultralow wear GaN based tribovoltaic nanogenerator for sliding ball bearing as self-powered wireless sensor node. Advanced Materials, 2023, https://doi.org/10.1002/adma.202310098

本文由作者供稿。