王中林院士Nano Energy綜述：摩擦納米發電機網絡構筑藍色能源夢

【引言】

海洋覆蓋了地球70%以上的表面，其中蘊藏著極為豐富的資源和能源。海洋能作為重要的可再生清潔能源，世界范圍內的總量高達750億kW以上。因而，海洋能源的大規模商業化利用必將帶來世界能源格局、政治平衡、經濟和社會發展的巨大變化。海洋能源主要以潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等形式存在，其中，海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，具有能量密度高，分布面廣等優點。據估計，全球沖擊海岸線的波浪功率達到20-30億kW，并且在開放海洋區總的波功率將大一個數量級，因此波浪能將是海洋能源發展的重點方向。然而，由于缺乏經濟的能量捕獲技術，當前波浪能很少被開發利用。

目前海洋能的公司正在測試一些用來收集海洋潮汐能和波浪能的裝置。Marine Current Turbines公司建造了由一對16米長的螺旋槳和固定在海峽底部的中心塔組成的裝置，其中螺旋槳與中心塔相連，OpenHydro公司設計了一種海底安裝的渦輪機，以中心馬達作為唯一的運動組件，這些是收集潮汐能的典型例子。在海洋波浪能收集方面，澳大利亞的Carnegie Wave Energy公司建立了一種擺動式浮標，利用水波運動驅動海底的泵通過一個閉合的環來傳遞流體，并延伸到大約3 km的岸邊帶動發電機產生電力。英國的Pelamis Wave Power公司制造了連接式的浮動浮標，在水波驅動下，利用連接處的液壓泵來傳遞流體至岸上發電機處發電。現今波浪能的利用形式是將大面積的波浪能加以吸收，并集中轉換成機械能，再帶動電磁發電機運轉發電。傳統的電磁發電機由重的磁鐵，線圈和渦輪構成，不能自然地浮在水體表面，需要依靠一個漂浮的平臺來支撐或者固定在海底，造價昂貴且技術上非常困難；線圈磁鐵易被海水腐蝕，長久性受到極大挑戰；在海洋水波頻率和運動方式下渦輪的效率低下。這些弊端使得當前海洋能采集裝置的能量效率不是很理想，導致利用海洋能發電這一重要研究領域一直進展緩慢，仍處于樣機開發與試驗運行的初級階段，并且，世界上還沒有商用的大范圍波能收集的裝置。

2006年，王中林院士所在團隊發明了通過壓電效應收集環境中機械能的納米發電機，開辟了能源轉化和應用的新領域。在此基礎上，該研究團隊于2012年又成功研制出基于摩擦起電和靜電感應的摩擦納米發電機（TENG）。此后，各種類型的摩擦納米發電機接連被研制出來，不斷革新著人們對能量收集的傳統概念。經過結構改進與優化，當前摩擦納米發電機單個器件的最大輸出功率已達到500 W/m²，瞬時能量轉化效率已達70%，已滿足很多小型電子設備的供電需求。該發電技術在機械能量收集方面具有普適性，可以有效地收集各種來源的能量，如人體運動、機械振動、旋轉、風、潮汐、水波運動等。TENG收集的能量不僅僅是新能源，更是新時代的能源(the energy for the new era)，物聯網時代的能源。摩擦納米發電機提供了波能向電能轉換的一種新途徑，具有從海洋中收集大范圍“藍色能源”的巨大潛能。

圖1. 當前利用電磁發電機收集海洋潮汐能和波浪能的典型設計

【綜述簡介】

近日，來自中國科學院北京納米能源與系統研究所、佐治亞理工學院的王中林院士等人在Nano Energy上發表了題目為“Toward the Blue Energy Dream by Triboelectric Nanogenerator Networks”的綜述，介紹了利用TENG技術收集藍色能源的最近進展。對電磁發電機（EMG）和TENG進行了系統的比較，提出TENG的理論源頭是麥克斯韋的位移電流，與EMG有著本質的區別，并論證了TENG在收集低頻水波能上的殺手應用。闡述了液固接觸起電式、封閉式發電機和發電機網絡在水運動能量收集上的最新進展，并對TENG 技術實現藍色能源夢所面臨的挑戰進行了 展望。

綜述總覽圖

【圖文導讀】

1.電磁發電機與摩擦納米發電機的比較

1.1 工作原理

收集海洋藍色能源的傳統技術是由磁鐵和線圈組成的電磁發電機。通常，水運動能量是一種具有隨機波動方向、低波動頻率（<2Hz）的無規能量，而EMG不適于收集這種無規的能量。摩擦納米發電機利用摩擦起電和靜電感應產生電流。與EMG相比，TENG的優勢在于質輕、浮于水面、低頻下高能量轉化效率、對無規和隨機的機械運動更好的適應性，所以它是收集水波能的理想技術。EMG的電壓、電流都與頻率成正比，所以功率跟頻率平方成正比，而TENG的電壓與頻率無關，電流和功率都與頻率成正比。這就導致存在一個閾值頻率（通常為5 Hz）使得相同尺寸的TENG輸出要高于EMG。另外通常二極管具有約0.5V的開啟電壓使得存在另一閾值頻率，在這個頻率之上EMG才能產生有用的輸出功率，造成大的功率損失，而TENG的高電壓使得輸出功率幾乎沒有損失。所以在低于5 Hz的頻率下，TENG是唯一的選擇。

圖2. 電磁發電機和摩擦納米發電機的工作原理和輸出功率對頻率的依賴性比較

1.2 基本物理機理

EMG和TENG的理論根基可以追溯到基本的麥克斯韋方程組。1831年法拉第發明的電磁發電機利用變化的磁場產生電流，由洛倫茲力驅動電子在導體中流動，其輸出電流與磁場隨時間的變化直接相關。2006年，王中林發明了納米發電機，2012年發明了摩擦納米發電機，利用表面極化電荷引起的極化場的改變來發電，這是麥克斯韋位移電流的重要部分。所以，EMG和TENG在基本物理學上有本質區別，但統一于麥克斯韋方程組。1861年麥克斯韋首次假定了位移電流的存在，位移電流的第一項統一了電場和磁場，同時預言了電磁波的存在，奠定了無線通信的物理基礎。對于各向同性的介質，位移電流公式會兩項合并。然而在具有表面極化電荷存在的介質中，如壓電和摩擦材料，位移電流中由表面靜電荷引起的極化密度的貢獻不能被忽略。因而，位移電流被寫成圖3中的形式，其中第一項是變化的電場所產生的感應電流，第二項是表面靜電荷產生的極化場而引起的電流，它是納米發電機的理論來源，由此可引導出位移電流在能源與傳感方面的重大應用。

圖3. 電磁發電機和納米發電機理論基礎的比較，以及PENG和TENG的工作機理。EMG利用變化的磁場產生電流，而納米發電機利用表面極化電荷引起的極化場的變化來發電。納米發電機代表一種全新的不同的發電機理，無論是否使用到納米材料，都叫納米發電機。

從1886到20世紀30年代，由位移電流第一項推導出了電磁波理論，電磁感應現象催生出了天線廣播、電視電報、雷達微波、無線通信和空間技術。在20世紀60年代，電磁統一產生光的理論，又給激光的發明和光子學的發展提供了重要的物理理論基礎。此外，飛機、船舶和宇宙飛船的控制與導航，電力和微電子工業的技術進步都離不開麥克斯韋。而從2006年至今，位移電流第二分量基于媒介極化的特點催生出了壓電納米發電機和摩擦納米發電機的興起，將極大地推動新能源技術和自供電傳感技術的發展，這里指的是新時代的能源，物聯網和傳感器網絡的時代，使納米發電機能源系統在物聯網、傳感器網絡、藍色能源甚至大數據等影響未來人類發展的重大方面得到廣泛的應用。經過150余年的時空印記，追本溯源，納米發電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術后在能源與傳感方面的另一重大應用。在可以預見的未來，這棵汲取物理學第一大方程組營養的大樹，將愈發茁壯成長，引領技術革新，深刻改變人類社會。

圖4. 從麥克斯韋位移電流的兩個分量導出的主要基礎科學，技術和工業影響。左側是衍生的電磁波理論影響了上世紀通訊技術的發展；右側是位移電流衍生的新技術用于能源和傳感器，極大可能會影響未來世界的發展。

基于電磁感應的EMG通過洛倫茲力驅動的電阻性自由電子傳導的機理產生電流，而基于接觸起電和靜電感應的TENG采用依賴于時間的靜電感應和束縛靜電荷的輕微運動引起的電容性位移電流的機理。EMG很重、造價昂貴、但耐久性高，而TENG質輕、成本低，但耐久性不夠。

圖5. EMG和TENG從機理和優缺點上的比較。

1.3 輸出性能

Zi等人系統地比較了接觸分離和自由滑動式TENG和EMG在低頻機械能收集時的性能。研究發現，TENG的功率密度正比于頻率，而EMG的功率與頻率的平方成正比。所以存在一個閾值頻率使得TENG的輸出性能要高于EMG。此外，由于LED的開啟電壓，需要達到一定頻率EMG才能點亮LED燈，導致低頻下TENG比EMG的電流更高，論證了TENG在收集藍色能源上的殺手應用。

圖6. EMG和TENG的輸出性能比較。

Zhang等人從理論方程和實驗論證上比較了EMG和TENG的輸出特性，發現旋轉的EMG輸出電壓與旋轉的TENG的輸出電流具有類似的表達，表明TENG和EMG在理論上具有可比擬和對稱的關系。TENG比EMG具有更高的匹配阻抗，得出結論，TENG可以被認為是高內阻的電流源，而EMG可以看成低內阻的電壓源。隨后，他們將兩種發電機共軸設計了一種復合式發電機，闡述了串聯和并聯的協同工作模式。該工作建立了與傳統EMG同等重要的TENG技術的基礎。

圖7. EMG和TENG的理論比較、電阻輸出特性比較和復合操作。

2.基于摩擦納米發電機的藍色能源收集

2.1 液固接觸起電式TENG

由于摩擦納米發電機新穎的工作原理，水本身可以作為一種摩擦材料，當與聚合物介電材料表面接觸摩擦時，可以使表面帶電。隨著水滴或波浪的運動，在電極中感應出電流。基于這一原理制成一種固-液接觸型的摩擦納米發電機，發電機具有6個條帶形電極，表面覆蓋有FEP薄膜，在薄膜表面刻蝕有納米結構，產生超疏水效應，使水與聚合物表面更易分離。該發電機可收集水滴的能量，還可收集波浪起伏的動能，產生數微安的脈沖或直流電流，可點亮一組LED燈。

圖8. 固-液接觸型摩擦納米發電機。

2.2 全封閉式TENG

2.2.1 波紋電極結構

波紋式的彈性結構能在受到外力時向側向延伸，并在外力撤消時彈起回復原始狀態，能夠在實現表面接觸分離的同時產生良好的摩擦起電效應。采用這種波紋式彈性結構的摩擦納米發電機可以收集沖擊、擠壓及機械振動的能量。基于此設計了十二面體封閉結構的波浪能收集器件，其中每個面上集成有一組多層的波紋式發電機，空腔中另置有一個重球。當器件置于水面上時，隨著水波的運動，小球沖擊發電機表面，由發電機將沖擊能量轉化為電能。發電機采用的全封裝結構，可以避免水汽對于固-固接觸型摩擦納米發電機性能的影響。

圖9 基于波紋式彈性結構的摩擦納米發電機用于波浪能收集。

2.2.2 滾動球形結構

滾動球形結構摩擦納米發電機基于自由摩擦層工作模式。由尼龍球和背面有電極的Kapton膜摩擦產生靜電荷。當球隨著波浪在兩電極間來回滾動時，會在外電路中產生交流電。在1.43Hz的波浪頻率下，單個發電機可以產生24納庫的電荷和1.2微安的短路電流。這種結構具有高的電荷轉移效率，非常適合于從不規則的波浪中收集能量。產生的電能可以存儲于超級電容中，用于給小型的電子設備供電，從而實現自驅動監測系統等應用。

圖10 封裝球形結構的摩擦納米發電機。

2.2.3 鴨狀結構

實驗中制作了一種鴨狀全封閉的摩擦納米發電機，這種發電機可以對隨機和低頻的水波能進行收集。納米發電機在水波作用下通過翻滾和俯仰操縱機構實現水波能向電能的轉化。將三組納米發電機進行連接后，器件的瞬時輸出功率密度可達1.366W m^-2。另外，還對摩擦納米發電機的動力學特性、機械效率、器件穩定性等進行了研究，并探討了其作為商用無線溫度傳感器節點供能裝置的可行性。

圖11 封裝鴨狀結構的摩擦納米發電機。

2.2.4 氣壓驅動膜結構

為進一步提高摩擦納米發電機的輸出和功率密度，采用了一種氣壓薄膜式發電機集成陣列結構。器件中構造了上下兩個氣腔，兩氣腔的柔性公共壁面上布置有接觸分離模式的發電機陣列，當氣腔氣壓交替變化時，發電機陣列會產生重復的接觸-分離運動，從而在外電路中產生電流。將氣腔和發電機復合結構設計成通過彈簧懸掛于外殼內的振子，即可在波浪中產生振動，使上下氣腔交替沖擊外殼，產生氣腔壓力變化。器件通過氣壓傳導和分配能量，可以同步驅動大量TENG并行工作。采用這種結構，在2.9Hz的共振頻率下，單次整流輸出電荷達到15微庫，電流達到187微安，峰值功率可達13.23 W m^-3。

圖12 基于氣壓薄膜結構的集成摩擦納米發電機陣列。

2.3 TENG網絡

基本的TENG單元收集的能量有限，僅可以為小型的電子設備供電。要收集大規模的波浪能，需要將TENG單元連接成網絡。這一想法最早由王中林教授于2014年提出，網絡采用上述球形的TENG單元，使用金屬材料和輕質的聚合物，由于單元內部分填充空氣，可以浮在水面附近，通過介電球在球殼內的滾動將水波能轉化為電能，大量的單元可以產生巨大的電能。據初步估計，在1平方公里的海面可產生1.15兆瓦的電能。由于結構簡單、成本低，提供了一種創新的大規模從海洋中收集藍色能源的技術。

圖13 摩擦納米發電機網絡用于大規模收集波浪能。

3.總結與展望

本綜述系統比較了EMG和TENG兩種機械能收集技術，總結了TENG技術在藍色能源收集上的最新進展。目前已有多種原型器件被設計出來并得到優化。我們論證了TENG 作為電磁感應發現180年后出現的技術，所提供的能量不僅是與風能和太陽能并列的新能源，更重要的是新時代的能源，物聯網和傳感器網絡的時代。TENG的發明并不是要取代EMG，而是要互補地用來解決未來微型網絡和宏觀網絡的能源需求。宏觀網絡仍由成熟的EMG技術驅動，而微網和小型電子器件由TENG提供分布式能源。基于EMG的發電技術需要高的工作頻率，這是上世紀EMG作為唯一可用的機械能收集技術的結果，現在，TENG的發明使得技術方法的選擇有所不同，物聯網時代的能源將由TENG來供給。

圖14 藍色能源器件的結構及性能演化。

摩擦納米發電機的網絡有望提供一種實現藍色能源夢的可行方法。由成千上萬的球形TENG單元通過纜繩連成網絡漂浮在水表面或位于水下一定深度，形成三維的網絡結構。如果每秒由水波激勵2-3次，每個單元產生1-10mW的電能，對于像山東省面積大小的這樣一片海域，在10米深的水中布滿TENG網絡，發出的電量可滿足全世界的能源需求。另外，在小球網絡的上方，可以布置太陽能電池板和風力發電機，實現復合的能量收集，增強輸出的功率。這些收集的電能可用于海上漂浮平臺，也可以向陸地輸送并入電網。藍色能源夢將提供一種新的能量途徑，改善人類生活，我們期望這個夢想能夠早日實現。

圖15 采用TENG三維網絡實現海洋波浪能的收集。風力發電機和太陽能電池板用來補充電力和最大化空間利用率。

當前，藍色能量還處于實驗室早期研發階段，要想實現長時間可靠運行，還有許多關鍵技術問題有待解決，在水動力性能理論研究、模型試驗、納米發電結構設計等方面要進行大量的工作，并積累實踐經驗。如研究提高納米發電材料的耐久性與抗腐蝕性；研究布線結構和傳輸抵御風暴及惡劣環境。同時要考慮規劃藍色能源發電網位置和大小，盡量減少對航運、海洋生物與生態影響。海洋藍色能源發電是一項系統工程，設立一個致力于藍色能源的研究機構將大大加快發展這種清潔、可持續的能源技術的進程，在政府、政策、私人投資及主要能源公司等各方的共同支持下，藍色能源夢終將成為現實。

文獻鏈接：Toward the blue energy dream by triboelectric nanogenerator networks（Nano Energy，2017, 39, 9-23 ）（http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517303890）

感謝王中林老師和蔣濤博士、許亮博士對本文的支持！

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！