纳米摩擦发电机概述作者：马明园来源：《新材料产业》2017年第06期一、纳米摩擦发电机的发明背景20世纪90年代以来，微型电子器件及微机电系统的研究取得长足发展。在日常生活中，经常要用到大小介于gm和mm之间的硅基器件。然而，如何为这些微型器件提供合适的电源成为研究人员面临的一个重要问题。通常来说，微型器件的功耗是很低的，目前这类电子设备仍然依赖于可充电电池。但这些器件在应用过程中部署的数量是巨大的，所需电池的数量随着移动电子设备数量和密度的增加而成比例增长。因此，电池的回收再利用就面临诸多挑战，而且废弃的电池对环境也会造成一定的负担。不仅如此，一些用于特殊领域的电子产品，例如透明柔性电子设备、植入式电子设备等，对所用电池的要求很高甚至无法使用电池。因此，开发能够从周围环境中自行收集能量的微纳尺度电源系统具有重要的意义和实用价值。让微纳器件能够给自身提供电源，从而实现器件和电源的小型化、智能化，这是研究人员一直探索和努力的目标。该项技术的实现将在减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率，在纳米系统的集成化、微型化方面将产生深远的影响。一个自驱动的电源从环境中汲取能量，因而无需任何维护，这无疑是非常吸引人的。为了使得任何系统都能成为自驱动的系统，系统必须能从其周围环境中收集能量，并且把这些收集的能量存储起来以备后用。能量在周围的环境中以各种形式存在着，而人体自身也可提供多种潜在能量，如机械能、热能、振动能、化学能等，可以将这些能源转变为电能，用来驱动微小系统和器件。近年来，研究人员利用传统压电材料和电磁线圈发明了基于振动的微型发电机，但这些发电机结构复杂、尺寸较大，难以与微型传感器件相匹配。研究人员还寻求可以将生物能和化学能转换为电能的微纳发电装置，但目前的研究结果仍不理想。随着纳米科学和技术的发展，特别是纳米材料制备领域的不断进步，研究人员正通过不同途径，应用纳米材料设计和制备能在微小尺度上产生电能的装置，由此诞生了可用于微纳系统的电源装置——纳米发电机。通常来说，发电机是一种可以产生电荷或将正负电荷分开，并利用电势差驱动产生的电荷定向流动行程电流的装置，它可以以电磁效应、压电效应、热电效应、静电效应为基础。压电纳米发电机依靠纳米压电材料所生成的压电电势实现发电。摩擦电和静电是一种非常普遍的现象，存在于日常生活中的各个层面，从人体运动如走路到各种机械运动如开车等。由于它很难被收集和利用，往往是一种被人们所忽略的能源形式。如果可以通过一种新的方法收集摩擦产生的电能或者利用该方法将日常生活中不规则的动能转换成可以利用的电能，将对日常生活产生重要影响。截至目前，微型静电发电机的设计主要以无机硅材料为基础，并且器件的制造需要复杂的工艺和精密的操作。但整个装置的制备需要大型的仪器设备和特殊的生产条件，而且造价成本过高，不利于发电机的商业化和日常应用。圈1庫擦发电.机萌结构示意圏二、纳米摩擦发电机的发明2012年，美国佐治亚理工学院王中林小组的范凤茹报导了一种基于摩擦电的柔性薄膜发电机。利用摩擦起电和静电感应相结合，并进一步合理设计器件结构，使摩擦起电这一古老的现象展现出新的应用价值和潜力。整个摩擦发电机是将镀有金属电极的高分子聚合物薄膜聚酰亚胺薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致2层聚合物薄膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离并形成电势差。2个金属电极板作为发电机的电能输出端，通过静电感应可以在表面生成感应电荷。感应电荷在电势差的驱动下经外电路形成电流。摩擦发电机由2种高聚物薄膜构成，结构示意图和实物图如图1。整个器件是互相堆叠的三明治结构，一片厚度125ym的聚酰亚胺薄膜与另一片厚度220ym的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜互相叠放，并与2个薄膜的顶部和底部溅射镀金电极，厚度100nm。实验结果表明，在0.13%的机械形变下，器件的输出电压高达3.3V，输出电流0®A，峰功率密度10.4mW/cm3。这种发电机结构简单、新颖，输出性能与目前其他类型的微型发电机相比具有明显的优势，且具有很大的性能提升潜...
