王中林院士Nano Energy：自组装波浪能收集网络刷新平均功率记录

【引言】

海洋约占地球表面积的71%，其中蕴藏着极为丰富的能源。海洋能主要以波浪能、潮汐能、海流能、温差能及盐差能等五种形式存在。据估计，其中仅波浪能一项，世界范围内的总储量即可达20亿千瓦以上。作为一种潜力巨大的清洁无污染能源，波浪能的大规模开发利用可能会对世界能源消费格局产生重大的影响。现有的基于电磁发电机的各种波浪能收集试验装置虽已取得很大的发展，但仍缺乏大规模的商业开发应用，主要挑战在于设备的成本和可靠性。目前基于电磁发电机的实验装置通常需要复杂的机械结构来捕获波浪并转换为高度规则的运动以驱动发电机工作，因此它们通常体积庞大、成本高并且在严酷的海洋环境中易受破坏。

王中林院士提出的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）技术为开发利用波浪能提供了一条新的技术路径。摩擦纳米发电机基于麦克斯韦位移电流，将摩擦起电和静电感应结合起来，能直接将无规则的低频机械运动高效转化为电能，不需要复杂的机构，同时具有材料选择多样、易于制造、成本低、器件结构灵活等诸多优点。采用TENG及其网络收集波浪能的概念最早由王中林院士于2014年提出，通过TENG将不规则的低频波浪运动转化为电能，并基于大规模的TENG网络收集大面积海域的波浪能量，将可能成为一种非常有前景的波浪能量收集技术方案。

在TENG网络研究中，单元性能提升及网络设计是两个重要基本问题。对于单元性能，需要进一步提升器件的输出功率，一般较多采用的峰值功率指标并不能完全反映器件的持续输出性能，相比而言，平均功率是衡量器件性能的一个更准确的指标，也更难以取得提升。网络连接是大规模TENG网络研究的另一个关键问题，由于在海洋中的实际应用可能涉及数万个单元，其构建和维护都具有相当的复杂性，与此同时，网络结构也会受到一些极端海洋天气的威胁，例如风暴，这些极端环境极易破坏海洋中的大型结构物，另外，通过绳缆或类似的连接装置也可能在长期运行存在疲劳失效问题。因此，网络设计需要能解决这些挑战。

自组装涉及到使基本单元自发形成有序结构和模式的过程，这是一种可在从分子体系到大规模天气系统等不同尺度上广泛观察到的自然现象。作为分子或纳米尺度的一种有效的合成方法，它吸引了来自化学、生物学和材料科学等多个学科的越来越多的研究兴趣。在介观或宏观尺度上，也提出了一些模仿微尺度体系的高度自治系统，例如导电网络、机器人系统等。原理上，自组装提供了用于构建包含大量简单元素而无需人为干预的有序复杂结构的通用策略，并且该系统通常由于组装的可逆性而具有自我修复的特征。这些特性对于海洋中的大规模TENG网络的构建是非常必要的。采用自组装作为联网策略，将有望实现在水中自我组装构建成网、自我修复、自我管理的自治网络，从而大大降低建设和管理的复杂度和成本，更好地适应严酷复杂的海洋环境，提高了装置在极端海洋环境下的生存能力和可靠性。而如何设计一种具有自组装能力，同时能保持能量收集性能的网络是一项挑战。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组首次成功实现了一种基于高性能摩擦纳米发电机单元的自组装波浪能收集网络，实现了发电机网络性能的重要突破。在单元设计上，研究团队设计了一种3D电极结构，采用大量的FEP小球颗粒作为摩擦材料填入到3D电极中，在水波的驱动下基于自由摩擦层模式发电机原理，将机械能转化为电能，这种结构极大改善了摩擦面积并且增强了静电感应效应，同时也具有很好的低频响应特性。对于封装直径8cm的单个球形TENG，其输出的转移电荷量可达520nC以上，规则激励下的峰值功率可达8.75mW，平均功率可达2.33mW，水波驱动下的平均功率达到0.55mW，其相应的规则激励下的峰值功率密度为32.6W/m³，平均功率密度为8.69W/m³，水波中的平均功率密度为2.05W/m³，达到壳球结构TENG的平均功率的18倍以上，刷新了球形TENG波浪能收集器件的平均功率记录。构建了一个包括18个TENG单元的示范网络，可以有效收集水波能，实现了9.89mW的平均功率，可用于自驱动传感和无线信号传输。

在网络连接方面，设计了一种自适应磁性节点（Self-adaptive magnetic joint, SAM-joint）以实现自组装，该磁性连接节点基于一种可旋转的嵌套磁球结构，实现了磁球的接近-磁极自动旋转配对-吸附的过程，解决了固定磁极吸附存在的吸附错位及磁极不配对等难题，实现了高度可靠的单元组装。为了在保持网络构型的同时实现能量收集，在吸附节点上引入了限位块设计，实现了各向异性的运动自由度约束，使得连接节点在水平面内的运动受到约束，可以保持网络构型，而在竖直平面内可以相对转动，进行波浪能收集。通过对球形TENG单元配置不同的磁性节点数量和位置等几何信息，可以实现不同的自组装网络结构，例如线形结构、空心六边形网格、四边形网格、密排六边形网格等结构形式。通过实验也验证了该网络自我修复破坏以及可重构的能力，因而实现了自组装、自修复、可重构的摩擦纳米发电机网络。这些特征极大地增强了摩擦纳米发电机网络的自治能力和结构可靠性，便于大规模网络的构造和维护，将有可能成为摩擦纳米发电机网络实现实际应用的一个重要基础技术。该方法还将有可能应用于其他大型海洋结构的建造。相关成果以“Macroscopic Self-Assembly Network of Encapsulated High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Water Wave Energy Harvesting”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1 结构设计和工作原理

a) 网络的自组装、自修复和可重构示意图；

b) TENG单元的结构示意图；

c-e) 3D电极球(c)，TENG单元(d)和水中自组装TENG网络(e)的照片；

f) TENG的基本工作原理。

图2 TENG单元的电输出性能

a, b) 两种激励模式的示意图；

c) 平移正弦激励下，不同位移长度下的转移电荷量；

d, e) 平移正弦激励频率对于转移电荷(d)和短路电流(e)的影响；

f) 不同平移冲击激励加速度下的转移电荷量；

g) 不同FEP颗粒填充量对转移电荷和峰值短路电流的影响（插图：短路电流曲线）；

h) 输出功率和峰值电流与负载电阻的关系；

i, j) 俯仰正弦激励下，位移角度对转移电荷(i)和短路电流(j)的影响；

k) 俯仰正弦激励频率对于转移电荷量的影响。

图3 自适应磁性节点的工作原理

a) 两个自适应磁性连接节点（SAM-joint）的自调整和吸附过程的示意图和照片（无限位块）；

b) 不同距离下的两个节点的吸引力（插图：节点结构和吸引力示意图）；

c) 基于COMSOL数值计算得到的两个节点的吸引力；

d, e) 连接节点的工作示意图，仅允许TENG单元在垂直方向上相对转动，收集波浪能，而在水平方向上限制相对运动，保持网络构形。

图4 网络的自组装和自修复行为

a-c) 两节点单元(a)，三节点单元(b)和四节点单元(c)的自组装模块和自组装TENG网络的理论结构示意图；

d-g) 在水波驱动下，两节点单元(d)，三节点单元(e, f)和四节点单元(g)的典型自组装网络的照片；

h) 网络在水中自修复过程的照片。

图5 自组装TENG网络在水波中的能量收集性能和应用演示

a) TENG网络的水波驱动示意图；

b) 网络的电路连接示意图；

c, d) 自组装TENG网络在水波驱动下的短路电流（整流）(c)和转移电荷量(d)；

e, f) 在水波驱动下，自组装TENG网络的峰值电流、峰值功率(e)和平均功率(f)与负载电阻的关系；

g) 水波驱动下，自组装TENG网络点亮300个LED的照片；

h) 自组装TENG网络对不同电容器的充电性能；

i, j) 自组装TENG网络驱动下的电容器给温度计(i)和无线发射器(j)供电的充电-放电曲线（插图：由自组装TENG网络供电的自驱动温度采集）；

k) 自组装TENG网络为无线发射器供电的照片。

【小结】

这项工作中，研究团队提出了一种基于封装的高性能单元的自组装、自修复和可重构的TENG网络，应用于海洋波浪能收集。通过3D电极结构设计，大幅提升了单个TENG器件的性能，实现了规则激励下的峰值功率密度32.6W/m³，平均功率密度8.69W/m³，刷新了球形TENG波浪能收集的平均功率记录。通过设计一种自适应磁性连接节点，在保持波浪能收集性能的同时，实现了TENG单元自组装形成网络，并可以通过连接节点的数量和位置调控网络形态。该TENG网络还展示了自我修复破坏和可重构的性能，其高度自治能力极大地增强了TENG网络作为海洋结构的可靠性，便于构造和维护。该研究展示了自组装网络可作为波浪能收集的一种新颖有效的技术方案，有可能为大规模摩擦纳米发电机网络的开发应用铺平道路，为实现蓝色能源梦，向人类社会提供取之不尽的可再生和清洁能源做出贡献。

文献链接：Macroscopic Self-Assembly Network of Encapsulated High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Water Wave Energy Harvesting (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.054)

【团队介绍】

王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)，2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖，2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会Fellow, 美国科学发展协会(AAAS)Fellow，美国材料学会Fellow，美国显微学会Fellow，美国陶瓷学会Fellow，英国皇家化学学会Fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（Citation Laureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标），中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是此年度该奖项唯一的华人获奖者。2017年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。2018年，王中林院士获得被誉为世界能源领域“诺贝尔奖”的埃尼奖（Eni Award）。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机，并提出了自充电纳米结构系统，为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200余项专利、7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他是Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

杨晓丹、许亮（共同一作）等为中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究组成员。

附：王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

相关论文：

Catch wave power in floating nets  (http://www.nature.com/news/catch-wave-power-in-floating-nets-1.21426)

Coupled triboelectric nanogenerator networks for efficient water wave energy harvesting (https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.7b08674)

Integrated triboelectric nanogenerator array based on air-driven membrane structures for water wave energy harvesting  (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516305316)

本文由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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