西北农林科技大学AM：新型自层叠摩擦纳米发电机突破能量输出瓶颈，助力可持续智慧农业

在物联网与可持续发展的双重推动下，分布式传感器对可再生能源的需求日益迫切。环境中广泛存在的机械能，如风能、人体运动能与海洋能等，普遍具有低密度、不规则和低频等特点。摩擦纳米发电机作为一种高效的能量收集装置，近年来备受关注。然而，传统逐层堆叠的TENG存在制备复杂、输出密度低等问题，限制了其在大规模应用中的推广。

近日，西北农林科技大学刘文林教授、王曌副教授和重庆大学胡陈果教授合作提出了一种全新的自层叠方法，成功构建出基于滑动模式的高输出堆叠式摩擦纳米发电机。该设计采用薄钢片堆叠作为定子，配合径向分布的长纤维转子，在旋转过程中实现“自层叠”效果，极大简化了制备流程并提升了输出性能。研究团队成功制备出高度集成、包含200个单元、总高仅16.05厘米的S-TENG，其体积电荷密度达到49.39 ± 1.73 mC·m⁻³，是此前记录的4倍。该装置可直接点亮10个总功率90W的商用LED灯，或在能量管理单元的支持下同时驱动46个无线农业传感器，展现出在大规模可持续农业中的应用潜力。相关论文以“Self-Layered Triboelectric Nanogenerator for Ultrahigh Electricity Supply”为题，发表在

Advanced Materials

图1展示了S-TENG的整体结构设计、工作原理及其在农业环境中的应用场景。与传统的逐层组装方式不同，S-TENG采用“自层叠”设计，转子由径向排列的长纤维构成，可在旋转过程中自动分层插入定子中，实现快速安装与高效接触。图中进一步通过扫描电镜图像展示了PTFE薄膜与纤维的微观结构，揭示了其作为摩擦材料的表面特性。工作机理示意图说明基于摩擦起电与静电感应效应，纤维与PTFE薄膜之间的周期性接触与分离产生交替输出电流。性能对比图显示，S-TENG在体积电荷密度和恒定功率密度方面均显著优于此前报道的同类设备。

图1：S-TENG的结构与工作原理 a) 设计理念对比图。 b) S-TENG在可持续农业中的应用场景示意图。 c) 旋转式S-TENG的三维结构示意图。 d) 单层TENG的基本结构，插图为介电薄膜的扫描电镜图像。 e) 转子结构，插图为纤维的扫描电镜图像。 f) S-TENG的基本工作机制及不同阶段的电荷分布示意图。 g) 与以往工作的电荷密度对比。 h) 与以往工作的恒定功率密度对比。

图2系统研究了S-TENG的结构与材料参数优化。研究人员比较了四种纤维材料（PBT、PP、PA1010、PA610）与四种金属电极（镍、锌、钢、黄铜）的组合性能，发现PBT纤维与黄铜电极组合输出最佳。此外，纤维密度、支撑厚度、电极厚度及环境湿度等因素也被详细探讨。实验表明，纤维在高速旋转时出现“拖尾效应”，导致有效接触面积下降，影响输出电荷；而在2毫米层间距与低湿度条件下，设备性能达到最优。

图2：结构与材料参数的优化 a) 电极与纤维相互作用的侧视图。 b) PBT、PP、PA1010和PA610转子的光学照片。 c) 四种纤维表面的SEM图像。 d) 四种纤维的傅里叶红外光谱对比。 e) 四种金属与四种纤维组合的输出电荷比较。 f) 黄铜与PBT纤维组合在不同转速下的输出电荷与电流。 g) 不同纤维密度下的转移电荷。 h) 不同支撑厚度下的转移电荷。 i) 不同相对湿度下的转移电荷。

图3进一步探讨了通过在电极表面附加高负电性薄膜（如PTFE、FEP、PET、PI）以提升输出性能的策略。SEM图像显示这些薄膜表面光滑均匀，COMSOL模拟表明各层电场分布相似。最终，PTFE薄膜与PA1010纤维组合在特定密度与层间距下，实现了3.03 μC的输出电荷与13 μA的电流，显示出优异的能量转换效率。

图3：输出性能的提升 a) 带薄膜的S-TENG结构侧视图。 b) 定子及带介电层的扇形电极的光学照片。 c) 四种介电薄膜表面的SEM图像。 d) 不同层在30 μC·m⁻²电荷密度下的模拟电势分布。 e) 四种介电薄膜与纤维组合的输出电荷。 f) PA1010纤维与PTFE薄膜组合的输出电荷积累曲线。 g) 不同PA1010纤维密度下的转移电荷。 h) 不同支撑厚度下的转移电荷。 i) 不同相对湿度下的转移电荷。

图4全面评估了S-TENG的输出性能与稳定性。长期循环测试表明，经过50万次运转后，输出电荷仅下降1.86%，显示出极高的耐久性。随着堆叠层数从10层增至100层，输出电荷与电流呈线性增长，验证了其可扩展性。在100层结构下，体积电荷密度达49.39 mC·m⁻³，最大输出功率在360 rpm时可达520.33 mW。此外，设备在不同转速下的电流密度与匹配阻抗也得到系统分析。

图4：S-TENG的输出性能 a) 50万次循环测试中输出电荷的变化。 b) 测试后PTFE薄膜与PA1010纤维的SEM图像。 c) 10至100层S-TENG的输出电荷与电流。 d) S-TENG内部电路连接示意图。 e) 100层S-TENG在60 rpm下输出电荷积累曲线。 f) 虚线区域的详细输出电荷曲线。 g) 不同转速下的电荷密度与电流密度。 h) 180 rpm下不同外负载的输出功率、电流与电压。 i) 不同转速下的最大输出功率。

图5展示了S-TENG在实际应用中的卓越表现。通过集成能量管理单元，设备能在极低转速下快速充放电，成功驱动10个商用LED灯、为手机充电，并同时支持46个无线农业传感器工作。在风速为6 m/s的条件下，20层S-TENG可持续驱动8个无线温湿度传感器，显示出其在野外环境中作为独立电源的潜力。

图5：S-TENG的应用展示 a) S-TENG在恒定模式下驱动外负载的电路图。 b) 带能量管理单元时不同电容的充电曲线。 c) 恒定模式下输出功率、电压、电流与负载电阻的关系。 d) 恒定模式下不同负载的电压曲线。 e) 在180 rpm下点亮10个商用LED灯的实际照片。 f) 在60 rpm下持续为手机充电的电压-时间曲线。 g) 实际充电过程照片。 h) 在6 m/s风速下驱动8个无线温湿度传感器的电压-时间曲线。 i) 实际驱动过程的照片。

综上所述，本研究通过自层叠设计与共享转子结构的创新，成功突破了传统堆叠TENG在制备复杂度与输出密度方面的限制。S-TENG不仅实现了高稳定性、高输出与高集成度，还在实际应用中展现出强大的驱动力与适应性。该工作为未来大规模可持续智慧农业中的自供电系统提供了全新的技术路径与设计理念，有望推动TENG在绿色能源与智能农业中的广泛应用。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！