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摩擦纳米发电机的四种基本工作模式

2017-04-26  wenghuaxi...


摩擦纳米发电机是一项颠覆性技术并具有史无前例的输出性能和优点。与经典电磁发电机相比,摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。同时它也可以作为自驱动的传感器来感知由机械触发所产生的静态和动态过程的信息。


纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用,有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。


现今的电子设备大多与人类活动相关,主要是为了健康、安全和通信等。而与人类相关的最富余的能量形式就是人体运动产生的机械能。最近,我们发现:当两种不同材料相接触时,它们的表面由于接触起电作用会产生正负静电荷;而当两种材料由于机械力的作用分离时,接触起电产生的正负电荷也发生分离,这种电荷分离会相应地在材料的上下电极上产生感应电势差;如果在两个电极之间接入负载或者处于短路状态,这个感应电势差会驱动电子通过外电路在两个电极之间流动——这就是王中林课题组于 2012 年首次发明的摩擦纳米发电机( TENG ),主要目标是收集小尺度的机械能。TENG 具有如下四种基本工作模式。



图1 摩擦纳米发电机的四种基本工作模式。(a)垂直接触-分离模式;(b)水平滑动模式;(c)单电极模式;(d)独立层模式(本图已获得英国皇家化学学会许可)


垂直接触-分离模式


我们以 TENG 的最简单的设计为例( 图 1a在这个结构中,两种不同材料的介电薄膜面对面堆叠,它们各自的背表面镀有金属电极。这两层介电薄膜相互接触,会在两个接触表面形成符号相反的表面电荷。当这两个表面由于外力作用而发生分离时,中间会形成一个小的空气间隙,并在两个电极之间形成感应电势差。如果两个电极通过负载连接在一起,电子会通过负载从一个电极流向另一个电极,形成一个反向的电势差来平衡静电场。当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时,由摩擦电荷形成的电势差消失,电子会发生回流。


水平滑动模式


这种模式初始的结构和垂直接触 - 分离模式的相同。当两种介电薄膜接触时,两个材料之间会发生沿着与表面平行的水平方向的相对滑移,这样也可以在两个表面上产生摩擦电荷( 图 1b。这样,在水平方向就会形成极化,可以驱动电子在上下两个电极之间流动,以平衡摩擦电荷产生的静电场。通过周期性的滑动分离和闭合可以产生一个交流输出。这就是滑动式 TENG 的基本原理。这种滑动可以以多种形成存在,包括平面滑动、圆柱滑动和圆盘滑动等。我们对这些结构进行了相关研究,从而更全面地理解滑动模式以及其中更复杂的栅格结构。


单电极模式


在前面介绍的两种工作模式都有通过负载连接的两个电极。在某些情况下,TENG 的某些部分是运动部件(如人在地板上走路的情况),所以并不方便通过导线和电极进行电学连接。为了在这种情况下更方便地收集机械能,我们引入了一种单电极模式的 TENG ,即只有底部有电极,且接地( 图 1c)。如果 TENG的尺寸有限,上部的带电物体接近或者离开下部物体,都会改变局部的电场分布,这样下电极和大地之间会发生电子交换,以平衡电极上的电势变化。这种基本工作模式可以用在接触 - 分离结构和滑动结构中。


独立层模式


在自然界中,运动物体由于和空气或其他物体的接触,通常都会带电,就像我们的鞋子在地板上走路也会带电。因为材料表面的电荷密度会达到饱和,而且这种静电荷会在表面保留至少几小时,所以在这段时间并不需要持续的接触和摩擦。如果我们在介电层的背面分别镀两个不相连的对称电极,电极的大小及其间距与移动物体的尺寸在同一量级,那么这个带电物体在两个电极之间的往复运动会使两个电极之间产生电势差的变化,进而驱动电子通过外电路负载在两个电极之间来回流动,以平衡电势差的变化( 图 1d)。电子在这对电极之间的往复运动可以形成功率输出。这个运动的带电物体不一定需要直接和介电层的上表面接触,例如在转动模式下,其中一个圆盘可以自由转动,不需要和另一部分有直接的机械接触,就可以在很大程度上降低材料表面的磨损,这对于提高 TENG 的耐久性非常有利。


图2  收集各种不同形式机械能的 TENG 的实物照片。这些 TENG 和对应的机械能形式包括:(a)手指敲击的能量;(b)空气流动和风能;(c)平面内滑动能量;(d)封闭腔体的 TENG用来收集水能和机械振动能;(e)可以用纺织物收集的人体运动的动能;(f)用透明的 TENG来收集触屏操作的能量;(g)脚踏和手拍的能量;(h)水的冲击能量;(i)用圆柱形 TENG 来收集转动能量;(j)置于鞋内的 TENG 用来收集走路的能量;(k)柔性的栅格结构用来收集滑动的能量;(l)圆盘式 TENG 用来收集转动能量(本图已获得英国皇家化学学会许可)


基于以上描述的四种基本工作模式,我们对于具体的应用制备了多种不同结构的 TENG 。图 2 是我们制备的用来收集不同形式机械能的 TENG 的图片。这些结构都是为小型电子设备提供微纳能源的基本部件,通过将多个这样的基本部件集成到一起,可以实现用这个基本原理来进行大尺度发电。


麦克斯韦位移电流的未来新兴产业:能源与传感


在过去的 20 世纪里,现代社会通过广播和通信卫星建立起来的经济、文化和政治上的广泛联系都直接产生于麦克斯韦方程组的位移电流一项。物理学历史上认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大门,而麦克斯韦电磁学理论则为信息时代奠定了基石。 1931 年,爱因斯坦评价麦克斯韦的建树“是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。”


从 1886 年到 20 世纪 30 年代,由位移电流第一项推导出电磁波理论,电磁感应现象催生出天线广播、电视电报、雷达微波、无线通信和空间技术。在 20 世纪60 年代,电磁统一产生光的理论,又给激光的发明和光子学的发展提供了重要的物理理论基础。此外,飞机、船舶和宇宙飞船的控制与导航,电力和微电子工业的技术进步都离不开麦克斯韦。


而从 2006 年至今,位移电流第二分量基于媒介极化的特点催生出压电纳米发电机和摩擦纳米发电机的兴起,将极大地推动新能源技术和自供电传感器技术的发展,使纳米发电机能源系统在物联网、传感器网络、蓝色能源甚至大数据等影响未来人类发展的重大方面得到广泛的应用。经过 150 余年的时空印记,追本溯源,纳米发电机是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用。


图3  从麦克斯韦位移电流的两个分量导出的主要基础科学、技术和工业影响。左侧是衍生的电磁波理论影响了 20 世纪通信技术的发展;右侧是位移电流衍生的新技术用于能源和传感器,极大可能会影响未来世界的发展


在可以预见的未来,这棵汲取物理学第一大方程组营养的大树,将愈发茁壮成长,有可能引领技术革新,深刻改变人类社会(图3)。



本文摘编自王中林等著《摩擦纳米发电机》(责任编辑:李明楠  高 微)第1章,内容有删减。


摩擦纳米发电机

王中林 等著

北京:科学出版社  2017.03

ISBN 978-7-03-051749-4


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摩擦纳米发电机是一项颠覆性技术并具有史无前例的输出性能和优点。与经典电磁发电机相比,摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。同时它也可以作为自驱动的传感器来感知由机械触发所产生的静态和动态过程的信息。《摩擦纳米发电机》是首部系统全面地介绍摩擦纳米发电机的四种工作模式,以及相应的理论模型和计算、器件设计及它们在回收人体活动、振动、风能、海洋能、水流等动能中的广泛应用的专著。同时也系统介绍了摩擦纳米发电机在移动/穿戴/柔式电子产品、生物医学器件、传感网络、物联网、环境保护和传感、基础设施检查和蓝色能源等方面的应用实例。重要的是,王中林最近发现麦克斯韦位移电流第二分量是纳米发电机的理论根基。纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用,有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

(本期编辑:安 静)


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