西亞試劑：綠色新能源高效能摩擦發(fā)電機(jī)研究獲進(jìn)展

近日，由中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院共同參與的科研團(tuán)隊(duì)在王中林教授的帶領(lǐng)下，設(shè)計(jì)和制作出大功率的二維平面摩擦發(fā)電機(jī)，并成功地展示了其通過(guò)收集環(huán)境中的機(jī)械能來(lái)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)常規(guī)電子產(chǎn)品的能力。該高性能摩擦發(fā)電機(jī)開(kāi)創(chuàng)了自驅(qū)動(dòng)便攜式電子設(shè)備的實(shí)用化進(jìn)程，并為在大范圍內(nèi)收集機(jī)械能提供了全新的思路。相關(guān)研究成果在線刊登于《自然—通訊》。

摩擦起電效應(yīng)，是兩種不同材料經(jīng)過(guò)相互摩擦而使其接觸表面帶電的現(xiàn)象，是自然界中最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一。王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2012年首次成功地研發(fā)出用有機(jī)材料制作的透明摩擦發(fā)電機(jī)，原創(chuàng)性地利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，并在近年來(lái)陸續(xù)展示了該類(lèi)器件的基本工作模式和其適用于各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能力。然而，較小的輸出電流和較低的輸出功率一直以來(lái)阻礙著該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

由朱光博士、博士生陳俊等組成的主力團(tuán)隊(duì)，在王中林教授的指導(dǎo)下，于最新研究中發(fā)現(xiàn)，摩擦發(fā)電機(jī)的兩個(gè)工作部件在相互滑動(dòng)的過(guò)程中，電極之間的電荷轉(zhuǎn)移量可以通過(guò)材料表面有序圖案化得到極大提高，并和圖案密度呈準(zhǔn)線性關(guān)系。因此，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種圖案化陣列結(jié)構(gòu)，使摩擦發(fā)電機(jī)的輸出功率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。該發(fā)電機(jī)由平面化的圓形定子和轉(zhuǎn)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(dāng)定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該發(fā)電機(jī)的最高平均輸出功率為1.5瓦，功率密度高達(dá)19mW•cm^-2，其所對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化效率為24%。

研究團(tuán)隊(duì)成功地展示了該大功率摩擦發(fā)電機(jī)在收集包括空氣流動(dòng)、水體流動(dòng)和人體活動(dòng)在內(nèi)的多種機(jī)械能中的廣泛應(yīng)用。作為直接供電源，它們能夠?yàn)槿粘Ｓ们蛐螣襞莸入娖魈峁┻B續(xù)的電力。此外，通過(guò)將發(fā)電機(jī)和電力管理電路結(jié)合，研究人員還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了一套完整的小型供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有降阻抗、整流、儲(chǔ)能和穩(wěn)壓等功能，能夠提供恒壓穩(wěn)定的直流輸出，從而為包括手機(jī)在內(nèi)的多種常用電子產(chǎn)品提供實(shí)時(shí)電力或直接充電。

研究人員表示，和傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)相比，該摩擦發(fā)電機(jī)由于采用了材料表面起電的獨(dú)特機(jī)理，具有一系列不可比擬的優(yōu)勢(shì)。首先，摩擦發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)相比有著巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，它特別適合于為便攜式/穿戴式電子設(shè)備或無(wú)線傳感陣列等小型電器提供電能。其次，摩擦發(fā)電機(jī)的制作材料均為大規(guī)模工業(yè)化原料，加之其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成型簡(jiǎn)便，使其制作成本大大低于其它發(fā)電技術(shù)，為其廣泛應(yīng)用提供了極為有利的條件。最后，摩擦發(fā)電機(jī)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)為收集兩物體間的相互滑動(dòng)提供了可行甚至唯一的方案，這也是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)所不能比擬的。不僅如此，摩擦發(fā)電機(jī)還具有大規(guī)模收集和轉(zhuǎn)化自然界中機(jī)械能的潛力，有望成為綠色能源供給的全新途徑。

對(duì)于該原始創(chuàng)新技術(shù)，同行業(yè)的專(zhuān)家給出了很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這種摩擦發(fā)電機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)而同時(shí)具有輸出高、尺寸小和成本低等優(yōu)勢(shì)，為日常生活中利用機(jī)械能實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備自供電提供了一種切實(shí)可行的方法。并且，對(duì)于沒(méi)有電網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，有望通過(guò)人的日?；顒?dòng)而獲取足以點(diǎn)亮電燈、給手機(jī)供電的能源。