中科院张弛团队AM：一种超高功率密度、超低磨损的GaN基摩擦伏特纳米发电机，作为滑动滚珠轴承用于自供电无线传感

【导读】

随着物联网（IoT）技术的进步，传感器网络节点对电池的严重依赖不可避免地导致维护成本高、回收困难和环境污染问题。对于物联网节点数量多、分布广、能耗低的问题，最合适的方法是直接从环境中获取能量来为传感器节点供电。根据一项调查，全球约有三分之一的一次能源是通过摩擦消耗的，例如轴承和齿轮。如果摩擦能能够得到有效的回收和利用，对电池的依赖将大大减少，从而缓解环境污染问题。摩擦纳米发电机（TENG）是一种基于接触起电和静电感应的结构简单、成本低廉的机电转换装置。一些早期的工作利用基于TENG的轴承作为有源传感器来实现转速监控。然而，由于TENG接触起电的发电原理和低电流的局限性，难以开发出高功率密度器件。

2019年底，中国科学院北京纳米能源与系统研究所（简称纳米能源所）王中林院士在一篇综述展望中，预测并提出了摩擦伏特效应（Tribovoltaic effect）（Materials Today 2019, 30, 34）。2020年初，纳米能源所张弛研究员团队通过金属-半导体界面摩擦的实验验证，首次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（Advanced Energy Materials 2020, 10, 1903713）。摩擦伏特纳米发电机（TVNG）具有高电流密度（~A m^-2）和低阻抗（~kΩ）的特点，尤其是张弛研究员团队研究的氮化镓基TVNG屡次刷新摩擦电输出的性能记录（Advanced Materials 2022, 34, 2200146; Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373），有望实现高功率器件。但是，以非常小的接触面积实现高电输出极具挑战性。而且，界面摩擦会在材料工作一定时间后造成明显的表面划痕，导致TVNG性能急剧下降。为了实现轴承摩擦能的高效回收和利用，需要TVNG兼具高性能和高耐磨性，同时还要考虑与结构功能的集成。

【成果掠影】

近日，纳米能源所张弛研究员团队发明了一种使用由氮化镓（GaN）和钢球组成的圆盘球结构的TVNG。该TVNG开路电压超过130 V，超高归一化平均功率密度（APD）为24.6 kW m^-2 Hz^-1，相比之前最先进的工作提高了282倍。同时，该TVNG在906.6 MPa的最大接触压力下达到5×10^-7 mm³ N^-1 m^-1的超低磨损率，比同样用Si构成的TVNG高出三个数量级。该工作不仅实现了高性能和低磨损的GaN基TVNG，还实现了工业轴承的摩擦能量收集，展示了智能组件和自供电传感器节点在工业物联网中的巨大潜力。

相关研究成果以“An Ultrahigh Power Density and Ultralow Wear GaN-Based Tribovoltaic Nanogenerator for Sliding Ball Bearing as Self-Powered Wireless Sensor Node”为题发表在Advanced Materials期刊上。中国科学院北京纳米能源与系统研究所的张之副研究员为论文的第一作者，张弛研究员为论文的通信作者。

【核心创新点】

1.球盘式GaN基TVNG的开路电压高达130 V和APD高达6 kW m^-2 Hz^-1。在906.6 MPa的接触压力下，TVNG能实现2.5×10^-7 mm³ N^-1 m^-1的超低磨损率。

2.通过详细实验和第一性原理计算，发现GaN和WC界面具有更稳定的结构，从而减少了磨损，而且费米能级处能态的重叠更有利于电子传输，实现高输出。

3.构建首个滑动滚珠轴承，即使经100万次工作循环，仍可保持80%的开路电压输出。在每分钟300转的速度下，每16秒即可实现一次气压和温度信号传输。

【数据概览】

图1. 球盘式TVNG及其电输出特性

图2. GaN、Si、PEDOT:PSS组成的TVNG的性能对比

图3.TVNG的工作机理和耐磨机理。

图4.摩擦伏特滑动球轴承及其性能。

图5.自供电系统和应用验证。

5、成果启示：

总之，本论文提出了一种基于GaN和钢球组成的球盘结构TVNG，展现出超高的电输出和超低的磨损率。第一性原理计算表明，与硅钢球接触相比，氮化镓-钢球界面表现出更稳定的特性。费米能级上能态的重叠，增强了电子传输并提高了TVNG的输出性能。此外，我们还制造了首个摩擦伏特滑动球轴承。该轴承即使在承受100万次工作循环后仍能保持80%的开路电压输出。在每分钟300转的速度下，每16秒即可实现一次气压和温度信号的传输。这些工作展现了TVNG在工业物联网中智能组件和自供电传感器节点中的应用前景。

文献链接：

Zhi Zhang, Ning Wu, Likun Gong, Ruifei Luan, Jie Cao, Chi Zhang*. An ultrahigh power density and ultralow wear GaN based tribovoltaic nanogenerator for sliding ball bearing as self-powered wireless sensor node. Advanced Materials, 2023, https://doi.org/10.1002/adma.202310098

本文由作者供稿。