Nano Energy：探索摩擦纳米发电机杀手级应用！
第一作者：赵俊青、甄高伟
通讯作者：张弛、张平、王中林
通讯单位：中科院北京纳米能源与系统研究所、天津大学
研究亮点：
1. 本文首次比较了摩擦纳米发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）对激励幅度的影响特性，结果表明，TENG在小幅度范围内比EMG具有更好的输出性能。
2. 这一对比特性在不同频率下都得到了验证，表明TENG不仅在低频响应下优于EMG，而且在微小的激励幅度响应下也明显优于EMG。
3. 对EMG和TENG的特性对比做了全面总结，展示了新时代能源的发展方向。
背景介绍
摩擦纳米发电机作为一种新能源技术，在工作原理、控制方程和输出特性上与传统电磁发电机具有对称性和互补性，展示了与电磁发电机同等重要的理论基础与应用前景。此外，摩擦纳米发电机在低频下（通常< 5 Hz）表现出比电磁发电机更好的输出性能，这表明了摩擦纳米发电机在低频机械能收集方面的巨大优势和杀手级应用，比如收集人体运动和海水波动的能量。
然而，环境中无处不在的机械能不仅低频，而且运动幅度也很微小，比如微幅振动。因此，综合考虑机械能的频率和幅度，研究激励幅度对输出性能的影响，将有助于进一步理解摩擦纳米发电机，对于更好地利用摩擦纳米发电技术具有重要意义。
成果简介
有鉴于此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员领导的团队，开展了摩擦纳米发电机和电磁发电机在不同激励幅度下的输出性能对比研究，结果表明摩擦纳米发电机更适合用于小幅度范围的机械能收集。
图1. 两种发电机的示意图和工作原理
本文采用接触-分离模式的发电机来进行对比工作，图1展示了两种发电机的示意图和工作原理。EMG的原理基于电磁感应现象，而TENG的原理源于麦克斯韦方程位移电流第二项，是由电介质表面极化电荷引起的电子流动。
要点1：摩擦纳米发电机独特的开路电压规律
本文在理论推导上对比了两种发电机的开路电压和短路电流随幅度的变化规律，并进行了实验验证（图2）。可以看出，随着分离距离的增加，EMG的开路电压与短路电流线性变化，TENG的短路电流也随幅度线性增加，而开路电压却呈现出在小幅度范围先快速上升、然后趋于平缓的变化规律，且不依赖于频率的变化。
图2. 两种发电机的开路电压和短路电流随激励幅度的变化规律（不同频率下）
要点2：摩擦纳米发电机在微小激励幅度响应下的性能优势
在1Hz工作频率下，TENG的最大输出功率随着幅度的增加迅速增大至饱和，而EMG的最大输出功率则缓慢而逐渐地增大，在激励幅度小于2.6 mm范围内，TENG优于EMG。本文对这一规律做了理论推导和特性研究，并在不同频率下都得到了验证（0.5-8Hz），结果表明频率越低、幅度越低，其性能优势越明显（图3），揭示了摩擦纳米发电机的杀手级应用——低频、微幅的机械能收集。
图3. 两种发电机不同幅度和频率下的平均输出功率对比
本文还制作了收集机械振动能的EMG & TENG混合结构，通过驱动电子器件做了演示效果对比（图4a-d）。
图4. 发电机的演示对比与总结
要点3. EMG和TENG特性对比的全面总结与新时代能源展望
本文全面总结了电磁发电机与摩擦纳米发电机的特性对比（图4e）。电输出特性方面，EMG近似于一个阻抗较小的电压源，而TENG可以被认为是一个具有容性大阻抗的电流源。因此EMG的短路电流大、开路电压小，而TENG的开路电压大、短路电流小。此外，TENG更擅长收集低频率、微小幅度的机械能，而EMG更擅长收集高频率、大幅度的机械能。
最后，本文展望了TENG在能量收集领域的前景（图5），在频率和幅度两个维度展现出收集机械能的优势。基于低频下的优势，TENG在人体运动、风车、海浪等方面具有巨大的应用潜力；并在微幅振动能采集中也有杀手级应用，如桥梁振动、机器振动、MEMS振动等。所有这些显著的优点将奠定TENG作为新时代能源的基础。
图5. 新时代能源的展望
小结
综上所述，本文研究了EMG和TENG在不同激励幅度下的输出性能对比研究。结果表明，TENG不仅在低频而且在微小激励幅度的响应下也明显优于EMG。该研究对于进一步理解摩擦纳米发电机，以及更好地利用摩擦纳米发电技术具有重要意义，也为摩擦纳米发电机推动新时代能源的发展提供了理论基础，在物联网、可穿戴电子、机器人和人工智能等方面具有广阔应用前景。
参考文献：
JunqingZhao#, Gaowei Zhen#, Guoxu Liu, Tianzhao Bu, Wenbo Liu, Xianpeng Fu, Ping Zhang*,Chi Zhang* and Zhong Lin Wang*. Remarkable Merits of Triboelectric Nanogenerator than Electromagnetic Generator for Harvesting Small-Amplitude Mechanical Energy. Nano Energy, 2019.
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.04.047
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519303489
课题组简介：
张弛 中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，摩擦电子学研究组负责人。研究组主要从事纳米发电机和自驱动智能微系统领域研究，主要方向包括纳米发电机新能源技术、摩擦电子学及智能器件、自供电微纳机电系统与装备等。现已在国际权威学术期刊上发表论文90余篇，获28项国内外专利授权；出版学术专著2章；获评北京市青年拔尖团队。
课题组主页：
http://www.tribotronics-lab.cn/