复合型能源电池研究进展 | 科技导报

与摩擦纳米发电机（TENG）相结合的新型复合能源电池能够收集多种形式的能量，具有更宽的工作频率范围和更好的输出性能。分别从TENG与太阳能电池、电磁发电机、压电纳米发电机以及其他能源电池相结合等几个类别，综述了复合型能源电池在工作模式、结构、能量输出、应用等方面的研究进展，讨论了复合型能源电池面临的挑战。

纳米能源作为一个全新的研究领域，利用新技术和微纳米材料，高效收集环境中的低频能量且储存起来，从而实现为微纳米系统供电并维持其可持续运转。研究人员提出了复合型能源电池的研究概念，通过结构设计与材料选择可适应不同的工作环境，收集环境中的低频能量为电子器件供能，在扩宽使用频率范围的同时延长单一能源电池的实际工作时长，使得能量能够被充分利用。

本文简要介绍摩擦纳米发电机和复合型能源电池，重点从复合型能源电池的研究现状、分类、工作模式、结构、能量输出、应用等方面简述复合型能源电池近年的研究进展。

摩擦纳米发电机与太阳能电池相
结合的复合型能源电池

传统的太阳能电池板发电，受天气影响较大，因此考虑将多种能源电池集成到一种器件中，形成复合型能源电池，这样可以在有效弥补单一电池发电缺陷的同时提高发电效率，从而更好地为电子元器件供电。

Zheng等报道了一个透明的双模式摩擦纳米发电机复合的太阳能电池板。如图1所示，聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）用于保持下层聚四氟乙烯（polytetra fluoroethylene，PTFE）膜和尼龙薄膜之间的间隙距离，将所有部件集成到双模TENG中。该双模式摩擦纳米发电机复合的太阳能电池板既能从太阳光又能从风和雨滴中收集能量。

图1 双模式摩擦纳米发电机复合的太阳能电池板

此外，这种双模式的摩擦纳米发电机还具有自清洁的效果，可以使复合型能量板保持良好的工作状态。该装置具有制作成本低、工作时间长等优良特性，在以后的实际生活中显示出潜在的应用前景。由于这种设计结构，透过的太阳能被大大减弱，虽然可以利用其他多种能源，但太阳能电池板的效率也因此而降低。

2022年，Xie等提出了一种通过共享电极与钙钛矿太阳能电池集成的具有高雨滴能量转换效率的基于三氧化钼（MoO3）/顶部电极的摩擦纳米发电机（MT-TENG）（图2）。通过将MoO3电子阻挡层（EBL）插入ITO电极和氟化乙烯丙烯（FEP）聚合物摩擦电层中，构建MoO3基TENG（M-TENG），避免了界面之间的电荷屏蔽效应并极化FEP以增加并保持捕获的电荷。同时，优化了固-液界面的电荷复合，通过协同效应大大提高了总能量收集效率。此外，MT-TENG通过共享电极附着在整个钙钛矿太阳能电池上，几乎不影响太阳能电池的光伏功率转换效率。

图2 EBL对增强TENG性能的影响

摩擦纳米发电机与电磁发电机相
结合的复合型能源电池

摩擦纳米发电机可以收集频率更广泛的环境能量，将平时被浪费掉的能量加以利用，对传统的电磁发电机收集能量的频率范围进行补充。

2015年，Quan等报道了一种由TENG和6个EMG所组成的复合型能源电池（图3）它可以有效地收集生物能，并为电子手表提供电源。由佩戴者手腕的自然运动引发，位于亚克力做成盒子中心的磁球将在每侧与线圈碰撞，从而导致EMG和TENG的发电输出。自制的锂离子电池用于储能单元，通过使用复合型能源电池，可以在32mins内完成给自制锂离子电池充电，可以实现手表连续工作约218mins。

图3 复合式纳米发电机示意图及照片

2016年11月，Wang等报道了一种由滚动式摩擦纳米发电机（R-TENG）和EMG组成完全封装的混合型纳米发电机，用于收集水的机械能（图4）。混合式纳米发电机可以使能量转换效率最大化，同时扩大EMG工作频率的范围。

在充电电容方面，这款混合型纳米发电机不仅可以提供TENG组件的高电压和一致充电，还可以提供EMG组件的快速充电。因此，在更宽的频率范围内，复合型R-TENG和EMG的能源电池，可以为大规模地收集蓝色能量提供有效且可持续的方案。

图4 蓝色能源的混合纳米发电机的结构设计

2021年Zhang等报告了一种类似三缸的TENG-EMG混合发电机（图5），可用作用于流体速度检测的自供电旋转传感器以及用于无线传输的能量收集器。弹簧-磁铁结构布置在圆柱体中，EMG线圈和可折叠TENG布置在圆柱体中，以实现磁铁运动过程中的能量转换。3个圆柱体组成旋转传感器，每个圆柱体的摩擦电层数不同。因此，实时速度可以通过摩擦电信号之间的间隔来计算，而电压序列代表旋转方向。此外，还引入了不同传动比的齿轮副，加强了输出，扩大了感应范围。

图5 用于无人环境监测的3圆柱型摩擦电传感系统

混合发电机还能够实现无线传感，因为由齿轮副增强的EMG足以提供能量。这种自我维持的传感系统在物联网应用中显示出其在无人环境监测、灾害预警及气象记录方面的巨大潜力。

摩擦纳米发电机与压电纳米发电机相结合的复合型能源电池

摩擦纳米发电机与压电纳米发电机相结合，主要利用涡脱落来收集风能。

2016年，Chen等提出了一个复合压电-摩擦纳米发电机用于收集风能的装置。当切入风速为4 m/s时，该复合型压电-摩擦纳米发电机的输出电压随着风速增加而逐渐增加。该设计巧妙地结合了空气动力学与摩擦纳米发电机的知识，此外还应用压电材料，对结构进行设计，输出性能达到了较高的水平。

Wang等制备了一种柔性、可拉伸且高度透明的聚丙烯酰胺（PAM）/钛酸钡（BaTiO3，简称BTO）复合水凝胶薄膜作为TENG的自供电传感器电极（图6），并将其直接用作压阻传感器。

BTO位于水凝胶的一侧，形成不对称薄膜，BTO面向聚四氟乙烯（perfluoroalkoxy，PFA）摩擦电层，不仅增加了接触面积，而且在压力下产生压电电荷，增加静电感应电荷和TENG输出。多模态传感器实现了对人体手势、物理检测和运动的灵敏感知。

图6 混合能量电池的结构

摩擦纳米发电机与多种类型发电相结合的复合型能源电池

摩擦纳米发电机与多种类型的能源电池相结合，大大提升能源的使用效率，并且能够将收集的能量储存在电容器，也可以作为电源直接为电子设备供电。

2016年2月，Wang等制作了一种高透明、柔性和混合型摩擦纳米发电机（图7）采用聚偏二氟乙烯（poly（vinylidene fluoride），简称PVDF）纳米线-PDMS复合膜作为摩擦电层，极化的PVDF膜作为压电层和热电层，采用ITO作为电极。具有单器件结构和相同电极的复合型能源电池可同时提供TENG、压电纳米发电机（PiENG）和热电纳米发电机（PyENG）的输出电流/电压信号。复合型能源电池对10 μF电容器的充电性能更为优异。

图7 一种高透明、柔性和混合型摩擦纳米发电机结构示意（a）及照片（b）

2017年11月，He等报告了一种有效收集振动能量的复合型能源电池—摩擦-压电-电磁纳米发电机（图8）。电容器电荷测量显示，复合后的能源电池性能明显强于单个能源电池的性能，并且TENG+EMG1+EMG2+PEG1+PEG2的组合具有最高的能量收集能力。复合型能源电池最显著的特点就是能量收集能力显著提升，单位体积的能量密度增加，使得单一能源电池的输出性能大大提升。

图8 摩擦电-压电-电磁混合纳米发电机结构

Zhang等提出了一种波浪能收集装置（图9），该装置使用容器平台集成双线摆耦合混合纳米发电机（BCHNG）模块，该模块由1个EMG、2个PENG和2个M-TENG组成。通过合理的几何结构设计将EMG和PENG的线圈设计为M-TENG的PTO，合理优化设备的空间利用率。

通过对空间的合理利用，设计的BCHNG模块实现了更高的峰值功率密度—358.5 W/m³。集成3种发电机的BCHNG模块具有更快的充电容量率。未来可通过开发合适的电源管理电路进一步提高BCHNG模块的能量转换效率。

图9 集成BCHNG模块的船舶结构设计

摩擦纳米发电机与其他能源电池相结合

2013年，Yang等首次报道了摩擦纳米发电机与电化学电池（EC）相结合的复合型能源电池。使用Cu/NaCl溶液/Al结构制造EC，在其上使用具有微锥体表面结构的薄PDMS膜作为EC的保护层，用于抗腐蚀、污染和机械损坏。通过将BaTiO3纳米颗粒嵌入PDMS中以提高材料的介电性，从而提高TENG的输出性能。此外，Yang等还证明了复合型能源电池产生的能量可以存储在锂离子电池中。复合型能源电池同时收集2种能量，在自供电的电化学反应中具有潜在的应用，可以驱动一些个人电子设备。

2018年7月，Wu等报道了一种摩擦电-热电混合纳米发电机（TTENG），用于从周围环境中获取能量，并且由旋转TENG（r-TENG）摩擦引起的温差产生热能（图10）。TTENG的输出功率大大提高，因为TMENG可以在收集环境中的机械能的同时，还收集r-TENG摩擦运动产生的热能。

图10 TTENG的总体结构和工作原理

复合能源电池存在的问题以及机遇与挑战

复合型能源电池的研发致力于最大限度地从环境中获取废弃能源，通过将摩擦纳米发电机与其他能源电池整合为复合能源体系，体系内各个能源电池可以同时工作，收集环境能量为微纳米系统持续供电。此外，各类能源发电有效互补，使整个复合能源系统能够在更宽的工作频率范围内提供有效输出。

目前复合型能源仍面临许多问题，由于实际应用的需要，摩擦纳米发电机仍需在小阻抗、大功率、便捷式、智能化以及防水防潮湿等方向深入研究。

通过近年来对于复合型能源电池结构以及系统电路的优化，可预见与摩擦纳米发电机结合的新型复合能源电池整体的输出功率密度会得到大幅度提升，应用场景也将更加多样化，但复合型能源器件仍需要进一步在集成化、大功率、长寿命等方面深入开展研究。

本文作者：龚雪莹，杜文倩，郑莉作者简介：龚雪莹，上海电力大学，硕士研究生，研究方向为纳米能源材料与功能器件；郑莉（通信作者），上海电力大学，教授，研究方向为纳米能源材料、能源收集与应用、自驱动系统与传感。

论文发表于《科技导报》2022年第17期，本文有删减，欢迎订阅查看。

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