美国密歇根州立大学曹长勇教授团队《Matter》综述：基于摩擦纳米发电机的复合能量收集系统

　　人类的生产生活对能源的需求越来越大，因使用大量化石燃料而导致的环境污染和气候变化日益严重。开发新的可持续能源技术，提供绿色环保能源来满足社会发展的巨大需求，变得愈发迫切。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种全新的能源收集技术，通过摩擦起电与静电感应效应可以将周围环境和人体运动的机械能直接转化为电能，现已被用于开发各种新的便携式能量收集装置和自供能系统。然而，摩擦纳米发电机具有高输出电压、低输出电流的特性，使其在许多应用领域的实用化进程受到很大制约。为解决这一问题，近年来研究人员将摩擦纳米发电机与其他类型的能量收集机制结合，以构建可以从周围环境中的多种不同能量来源来收集能量的复合能量收集系统。

　　近日，美国密歇根州立大学曹长勇教授团队详细总结了基于摩擦纳米发电机的复合能源收集系统的最新进展，重点讨论了基于不同原理的复合能源收集系统和其在各个领域的重要应用。文章首先介绍了目前用于与摩擦纳米发电机结合的能源收集技术，包括电磁式发电机、压电式发电机、热电式发电机、热释电发电机和太阳能电池，并从原理、输出特性和优缺点等方面进行了对比。然后，着重探讨了基于摩擦纳米发电机的复合能源收集系统在自充电能源器件、自驱动生物医学、可穿戴电子、环境监测和海洋波浪能源收集等方面的应用。最后，进一步讨论了基于摩擦纳米发电机的复合能源收集系统领域所面临的挑战，并提出了其潜在研究方向和未来趋势，对研发高性能的复合能源收集系统具有一定的指导意义。该成果发表在国际著名期刊Matter上。论文第一作者为美国密歇根州立大学博士后逄尧堃博士，通讯作者为密歇根州立大学曹长勇教授，佐治亚理工学院王中林教授等为论文共同作者。

　　图1：基于摩擦纳米发电机的复合能源收集系统，包括各种不同类型的复合能源收集器及其应用。

　　图2：摩擦纳米发电机和电磁发电机在工作原理和输出性能方面的比较。(A)摩擦纳米发电机和电磁发电机的工作原理。(B)摩擦纳米发电机和电磁发电机在不同匹配电阻下的输出功率。(C)摩擦纳米发电机和电磁发电机在不同工作频率下的输出功率比较。(D)摩擦纳米发电机和电磁发电机在不同工作频率下的输出电流（LED灯泡的亮度可以反映输出功率大小）。(E)摩擦纳米发电机和电磁发电机在不同激励幅值的最大输出功率。(F)摩擦纳米发电机和电磁发电机在不同频率下最大输出功率曲线交叉点的激励幅值。

　　图3：摩擦-电磁复合发电机。(A)全封装复合能量收集装置。(B)摩擦纳米发电机稳定性测试。(C)转盘式摩擦-电磁复合发电机示意图及照片。(D)超低摩擦的摩擦-电磁复合发电机。(E)可用于收集气流能量的摩擦-电磁复合发电机。(F, G)柔性摩擦-电磁复合发电机示意图及其在3D轨迹传感方面的应用。

　　图4：摩擦-压电复合发电机。(A)基于ZnO的压电纳米发电机的工作原理。(B, C)波浪结构摩擦-压电复合发电机的示意图及工作原理。(D)全织物的摩擦-压电复合发电机。(E, F)透明且生物兼容摩擦-压电复合发电机的示意图和光学照片。(G, H)柔性多层复合纳米发电机示意图，可用于收集人体运动能量。(I)3D纤维复合纳米发电机。(J) ZnO纳米线及碳纤维的SEM照片。

　　图5：摩擦-光伏复合发电机。(A)太阳能电池和摩擦纳米发电机组成的复合能源电池结构示意图。(B)硅片基底上压印的PEDOT:PSS的SEM照片。(C)摩擦-光伏复合发电机的示意图和光学图片。(D)固定在房顶的复合发电机可以为温度-湿度传感器供电。(E, F)柔性复合发电机示意图，可作为可穿戴能源器件。(G)由染料敏化太阳能电池，织物摩擦纳米发电机和纤维超级电容器组成的自驱动织物示意图。(H)单根纤维状染料敏化太阳能电池的示意图。(I)自充电织物用于收集太阳能和人体运动机械能。

　　图6：摩擦-热电/热释电复合发电机。(A)热电纳米发电机的工作原理示意图。(B)摩擦-热电复合发电机示意图。(C)复合发电机用于电解水。(D, E)摩擦-热电复合发电机的结构设计和工作原理。(F)复合发电机和摩擦纳米发电机性能对比。(G)热释电纳米发电机的工作原理示意图。(H)摩擦-热释电复合发电机用于收集低级废水能量。(I)不同水滴温度下复合发电机的输出电压。(J)柔性透明摩擦-热释电复合发电机的示意图。(K)透明导电电极具有较高的透光性和导电性能。(L)由摩擦-热释电复合发电机和LCD组成的智能器件。

　　图7：基于多种工作机理的多重复合发电机。(A)摩擦-电磁-光伏复合能源收集系统示意图。(B,C)摩擦-电磁-热电复合发电机示意图，可安装在自行车上为手机充电。(D)基于摩擦-热电-压电的一体式复合发电机。(E)柔性透明多重复合发电机。

　　图8：自充电单元。(A)由微型超级电容器和摩擦纳米发电机组成的柔性自充电单元。(B)一体化自充电能源系统的工作原理示意图和光学照片。(C)旋转桶状混合发电机。(D)基于变压器的能量管理电路图。(E)复合发电机、摩擦纳米发电机和电磁发电机充电曲线。(F)旋转式摩擦-电磁复合发电机结构示意图。(G)用于复合发电机的商业能量管理模块的电路图。(H)栅格状摩擦纳米发电机织物。(I)摩擦纳米发电机织物和纤维状太阳能电池组成的复合能量收集织物。(J)混合织物可以给锂离子电池充电。

　　图9：自供电生物医疗系统。(A)摩擦-压电复合自供电压力传感系统示意图。(B)压力传感系统用于检测人体脉搏信号。(C)具有金字塔阵列微结构的弓形摩擦纳米发电机。(D)摩擦纳米发电机-激光照射和对照组的矿物沉积图片。(E)小鼠体内摩擦纳米发电机的电流信号。(F)植入式摩擦纳米发电机用于收集超声能量。(G)器件分解示意图和光学照片。(H)植入在猪组织下的发电机光学照片。(I)基于摩擦纳米发电机的植入式自驱动心脏起搏系统。(J)将自驱动器件植入动物体内。(K)无线触发装置开启植入式心脏起搏器。

　　图10：自驱动可穿戴电子器件。(A)基于摩擦纳米发电机的智能袜子。(B) 智能袜子用于监控人体走路状态。(C, D)由摩擦纳米发电机和太阳能电池组成的混合能量收集织物示意图，该器件可为手机充电。(E)摩擦-电磁复合发电机示意图。(F)混合发电机收集人走路能量来点亮LED灯。(G)可安装在鞋内的摩擦-电磁复合发电机示意图。(H)利用混合发电机为手机充电。(I)电池形状的摩擦-压电-电磁复合发电机。(J)利用复合发电机为GPS供电。(K)可穿戴弯曲形状摩擦-电磁复合发电机。

　　图11：自驱动环境监测系统。(A)风力驱动的复合发电机结构图。(B)基于复合发电机的自驱动地震监测系统。(C)电容充放电曲线并驱动无线发射器。(D)多层桶状发电机用于收集树枝振动能量，用于自驱动森林火灾预警系统。(E)基于旋转式摩擦纳米发电机的自驱动无线交通量系统。(F)自驱动智能浮标系统用于海洋环境监测的示意图。(G)智能浮标系统利用波浪能量实现数据监测和无线传输。

　　图12：海洋波浪能量收集。(A)圆筒状复合发电机，主要由旋转叉指电极的摩擦纳米发电机和缠绕的电磁发电机组成。(B)混合能量收集平台示意图，可收集波浪能，风能和太阳能。(C)立方体形状复合发电机。(D, E)摆锤结构摩擦-电磁复合发电机的结构示意图，可以组装在浮标中用于收集能量和及监控海洋环境。(F)旋转摆锤结构摩擦-电磁复合发电机示意图。(G, H)球状摩擦-电磁复合发电机示意图及其工作原理。(I)多层掏钱结构球状摩擦纳米发电机用于大面积收集海洋波浪能量。

　　论文链接：

　　Y. Pang,Y. Cao, M. Derakhshani, Y. Fang，Z.L. Wang，and C. Cao*,Hybrid Energy-Harvesting Systems Based on Triboelectric Nanogenerators, Matter,4, 116-143, 2021.https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.10.018

　　来源：高分子科学前沿

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