摩擦電發電機

摩擦電發電機是由美國科學家王中林開發的一種微型發電機，它能依靠摩擦點電勢的充電泵效應，把極其微小的機械能轉化為電能。此種發電機在電子產品、環境監測以及醫療設備製造等領域具有巨大的套用潛力。

基本介紹

• 中文名：摩擦電發電機
• 外文名：Triboelectric nanogenerator
• 國家：美國
• 類型：微型發電機
• 人物：王中林

原理

摩擦電是自然界中最常見的一種現象之一，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車都能遇到。但摩擦電又很難被收集和利用，因此往往被所忽視。由美國喬治亞理工學院教授王中林領導的研究小組，開發出了一種透明的柔性摩擦電發電機，藉助柔性高分子聚合物材料成功地將摩擦轉化成為了可供使用的電力。

摩擦電發電機依靠摩擦點電勢的充電泵效應，通過聚酯纖維薄片與聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄片的摩擦來產生電力。藉助一種分離技術，當摩擦發生時，兩層聚合物薄膜之間產生電荷分離並形成電勢差，經由外部電路即可形成電流。在摩擦中，聚酯纖維產生電子，聚二甲基矽氧烷則負責接收電子。此外，外部的按壓產生的機械形變也能使它們發生摩擦產生電力。

技術進展

2014年3月18日，科研人員展示聲波感測裝置。只要人對著手中的設備說話，薄膜在聲波的作用下受迫振動，與金屬電極摩擦，產生感應電荷，輸出電學信號。

中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林院士領銜的團隊成功研發摩擦發電新能源技術。摩擦發電技術，能為未來能源發展帶來了新的供給模式。

王中林在2012年1月成功研發世界首台摩擦發電機。並發明了一種摩擦發電機，可以將握手、走路、潮汐等摩擦和靜電產生的電能收集和利用起來，相關文章已經發表在3月5日的《自然·通訊》上。

兩年來，他帶領團隊實現對小型電器的實時供電，降低了成本，讓產業化成為可能。這種摩擦發電機的動力源既可以是風力、水力、海浪等，也可以是人的行走、手的觸摸、下落的雨滴等環境隨機能源，甚至可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等垃圾能源，哪怕說話也行。“或許不久的將來，你只要正常走路，附著在你衣服上或安在你鞋裡的摩擦發電機就能隨時為你隨身攜帶的手機充電。”王中林說。

一個4厘米見方的薄膜材料，通過導線與LED燈相連。只要用手捏一下這個薄膜材料，LED燈就會亮起。

這種用高分子透明薄膜材料做成的器件就是一種發電機，或稱摩擦電發電機。納米能源所首席科學家王中林院士告訴記者，摩擦電發電機主要由有機材料和常見金屬構成，其用量極少。摩擦電發電機利用的是摩擦起電和靜電感應效應的耦合，同時配合薄層式電極的設計，實現電流的有效輸出，目前的輸出功率最高可達500瓦/平方米。”

研究方法

光滑的表面在相互摩擦時能產生電荷，但這些電荷的數量並不能滿足套用的需要。王中林和他的團隊通過改變摩擦表面圖案的方式來產生更大的電流。研究人員分別對線條、立方體和金字塔三種圖案進行了測試，結果發現金字塔圖案的表面在摩擦時加速了電荷的形成，更利於電荷的分離，能產生最多的電流，極大地提高摩擦電發電機的效率。

為了製造這種微型摩擦電發電機，研究人員首先藉助光刻和蝕刻工藝，用矽片製造出一個模具；而後將液體的PDMS和一種交聯劑混合在一起後塗抹到模具上，等待冷卻後就形成了一張薄膜；最後再將兩種獨有金屬電極的高分子聚合物薄膜銦錫氧化物（ITO）與聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜貼合在一起，形成三明治結構。實驗證實這種具有微結構陣列的摩擦電發電機的輸出電壓可達18伏，每平方厘米可產生0.13微安的電流，峰值電流可達0.7微安。

主要特點

這種微型發電機製造工藝簡單，成本低廉，能很方便地進行大規模生產的套用。同時它還具有極好的耐久性和可加工性，可輕鬆融入其他產品的設計當中。

套用前景

這種摩擦電發電機採用透明的柔性材料製造，未來它將有望取代普遍使用的觸摸顯示裝置。此外，該摩擦電發電機還可以用作高靈敏度壓力感測器。研究人員稱，這種壓力感測器非常敏感，即便是落下的水滴或是飄落的羽毛這樣的微小壓力也會被準確地“感覺”到，該裝置有望在有機電子材料和光電系統中獲得套用。

在納米能源所，王中林團隊已開發出旋轉式直流摩擦發電機、剎車發電模擬裝置、自驅動無線觸摸報警器、柔性透明摩擦發電機、碟式寬頻摩擦發電機、腳踏式摩擦發電機、潮汐能收集裝置等摩擦發電裝置。

摩擦電發電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。

將來只要正常走路，安在鞋裡的摩擦電發電機就能隨時為你自己隨身攜帶的手機充電。與工業大規模發電不同，摩擦電發電機可以讓運動著的每個人都“發電”，可以讓司空見慣的摩擦、擠壓、墜落等現象都變成發電的動力源。未來，汽車剎車就能發電充電；如果把摩擦電發電機鋪在馬路上，每一輛駛過的汽車都能參與發電過程。