中科院张弛团队AEM：用于收集水平和旋转机械能的独立式摩擦伏特发电机

01 导读：

随着物联网技术的发展，传感器网络节点对电池高度依赖，必然导致维护成本高、回收困难、环境污染等问题。为了满足日益增长的新型能源需求，能够从周围环境中有效收集能量的创新技术已成为传统能源的重要替代。据调查，人类一次性能源中约有1/3是通过摩擦消耗的。工业设备中的基础机械零部件，如轴承、齿轮、皮带轮等，都存在大量的摩擦能量消耗。如果能实现对摩擦能量的高效回收并利用其为传感器节点供电将具有巨大的意义。

2012年，摩擦纳米发电机(TENG)首次被提出，作为一项有前途的技术，它可以将无处不在的机械能转化为驱动小型电子器件的电能。然而，TENG的一些固有缺陷极大地限制了其广泛应用，如高阻抗和低电流密度。

近年来，国内外学者将摩擦电材料从绝缘聚合物扩展到范围广泛的半导体并观察到了直流电的输出。2019年底至2020年初，王中林院士和张弛研究员团队针对这种新的实验现象，首次提出并定义了摩擦伏特效应：半导体界面在摩擦作用下产生直流电的现象（Materials Today 2019, 30, 34; Advanced Energy Materials 2020, 10, 1903713.）。与TENG相比，摩擦伏特发电机(TVNG)具有低阻抗和高电流密度的优点。然而，在目前的TVNG基本结构中，滑动异质结的每一端都需要附着电极和导线。这就导致输出端不能摆脱导线的束缚进行自由运动，这极大地限制了TVNG从滑动和旋转机构中收集机械能的适用性。

02 成果掠影：

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队报道了一种具有两个固定半导体层和一个独立移动金属层的独立式摩擦伏特发电机(FTVNG)。由于独特的结构设计，FTVNG在运动端无需连接导线的情况下，即可从运动部件中获取能量。

相关研究成果以“Freestanding-Mode Tribovoltaic Nanogenerator for Harvesting Sliding and Rotational Mechanical Energy”为题发表于Advanced Energy Materials期刊。中科院纳米能源所2020级硕士生董思成、布天昭博士和2020级博士生王昭政为该论文共同第一作者，张弛研究员为该论文通讯作者。

03 核心创新点：

1. 本项工作中提出了一种独立模式的摩擦伏特发电机，独特的结构设计使得发电机可以在运动端无需连接导线的情况下收集运动物体的能量。
2. 本项工作中提出了一种独立式摩擦伏特发电机集成的摩擦电轴承，实现了在基础零部件中的能量回收和速度传感，展示了摩擦伏特器件在基础零部件中的应用前景。

04 数据概览：

图一： FTVNG的结构和电输出特性

图二：FTVNG的工作原理

图三：旋转FTVNG的结构和电输出特性

图四：FTVNG的应用和前景展望

05 成果启示：

本工作提出了一种独立式摩擦伏特发电机(FTVNG)。在运动端无需连接任何导线的情况下，FTVNG即可从运动部件中获取能量。此外，通过将FTVNG集成到传统的滚动轴承中，制成了摩擦电轴承，实现了在基础零部件中的能量回收和速度传感。该项工作为摩擦伏特器件与工业零部件的结合提供了有效的途径，推动摩擦伏特效应新兴领域的发展；同时，也展现出摩擦伏特器件为无线网络节点供能的潜力，有望推动工业物联网的自驱动化和智能化。

文献链接：

Sicheng Dong#; Tianzhao Bu#; Zhaozheng Wang#; Yuan Feng; Guoxu Liu; Jianhua Zeng; Zhihao Wang; Jie Cao; Zhi Zhang; Feng Liu; Chi Zhang*. Freestanding Tribovoltaic Nanogenerator for Harvesting Sliding and Rotational Mechanical Energy. Advanced Energy Materials, 2023, DOI：10.1002/aenm.202300079.

(https://doi.org/10.1002/aenm.202300079)

本文由作者供稿