納米能源所等邁向綠色新能源的高效能摩擦發電機取得突破

　　近日，由中國科學院北京納米能源與系統研究所和美國佐治亞理工學院共同參與的科研團隊在王中林教授的帶領下，設計和制作出大功率的二維平面摩擦發電機，并成功地展示了其通過收集環境中的機械能來實時驅動常規電子產品的能力。該高性能摩擦發電機開創了自驅動便攜式電子設備的實用化進程，并為在大范圍內收集機械能提供了全新的思路。相關研究成果在線刊登于《自然—通訊》(DOI: 10.1038/ncomms4426)。

　　摩擦起電效應，是兩種不同材料經過相互摩擦而使其接觸表面帶電的現象，是自然界中最常見的現象之一。王中林領導的研究團隊于2012年首次成功地研發出用有機材料制作的透明摩擦發電機，原創性地利用摩擦起電和靜電感應的耦合效應將機械能轉化成電能，并在近年來陸續展示了該類器件的基本工作模式和其適用于各種機械運動的能力。然而，較小的輸出電流和較低的輸出功率一直以來阻礙著該項技術的實際應用。

　　由朱光博士、博士生陳俊等組成的主力團隊，在王中林指導下于最新研究中發現，摩擦發電機的兩個工作部件在相互滑動的過程中，電極之間的電荷轉移量可以通過材料表面有序圖案化得到極大提高，并和圖案密度呈準線性關系。因此，他們設計出一種圖案化陣列結構，使摩擦發電機的輸出功率產生了質的飛躍。該發電機由平面化的圓形定子和轉子兩部分組成。其相互接觸材料表面的圖形陣列由一圈呈放射性密排的微小扇形組成，當定子和轉子發生相對轉動時，該發電機的最高平均輸出功率為1.5瓦，功率密度高達19mW·cm-2，其所對應的能量轉化效率為24%。

　　研究團隊成功地展示了該大功率摩擦發電機在收集包括空氣流動、水體流動和人體活動在內的多種機械能中的廣泛應用。作為直接供電源，它們能夠為日常用球形燈泡等電器提供連續的電力。此外，通過將發電機和電力管理電路結合，研究人員還進一步開發出了一套完整的小型供電系統。該系統具有降阻抗、整流、儲能和穩壓等功能，能夠提供恒壓穩定的直流輸出，從而為包括手機在內的多種常用電子產品提供實時電力或直接充電。

　　研究人員表示，和傳統的電磁發電機相比，該摩擦發電機由于采用了材料表面起電的獨特機理，具有一系列不可比擬的優勢。首先，摩擦發電機由薄膜高分子材料和薄膜電極材料制成，具有極輕的重量和極小的體積，其能量密度和電磁發電機相比有著巨大的優勢。因此，它特別適合于為便攜式/穿戴式電子設備或無線傳感陣列等小型電器提供電能。其次，摩擦發電機的制作材料均為大規模工業化原料，加之其結構簡單，制作成型簡便，使其制作成本大大低于其它發電技術，為其廣泛應用提供了極為有利的條件。最后，摩擦發發電機的獨特結構為收集兩物體間的相互滑動提供了可行甚至唯一的方案，這也是傳統發電機所不能比擬的。不僅如此，摩擦發電機還具有大規模收集和轉化自然界中機械能的潛力，有望成為綠色能源供給的全新途徑。

　　對于該原始創新技術，同行業的專家給出了很高的評價，認為這種摩擦發電機通過結構的精巧設計而同時具有輸出高、尺寸小和成本低等優勢，為日常生活中利用機械能實現電子設備自供電提供了一種切實可行的方法。并且，對于沒有電網覆蓋的區域，有望通過人的日常活動而獲取足以點亮電燈、給手機供電的能源。

摩擦發電機實時供電的照片。(a)點亮球形燈;(b)給手機充電;(c)給電子時鐘供電;(d)在風力驅動下實時點亮LED燈;(e)在手臂晃動的驅動下實時點亮LED燈;(f)轉速與開路電壓和短路電流的關系圖。