随着物联网时代的到来，如何给各种数量巨大且分布广泛的微型电子设备供电是物联网时代面临的一个巨大挑战。传统的化学电池、太阳能电池和集中布线供电有着各自的局限。近年来，收集周围环境中的能量实现电子器件的自驱动化是一种可行的解决方案。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型能量收集技术，基于接触起电和静电感应，可以将机械刺激转化为电能。由于其出色的输出特性、高鲁棒性、长寿命、简单的结构和低成本等优点，TENG已经成为物联网中的杀手级应用。此外，TENG作为一种自驱动传感系统，可以用于海洋环境监测、风速传感、智能家居和可穿戴电子器件等。
与传统的电磁发电机(EMG)相比，TENG在理论模型、工作机理和控制方程上具有相似性和对称性，这表明TENG和EMG在机械能收集方面具有同等重要的地位。此外，TENG在低频、小幅度和低输入功率下具有更好的表现。例如，TENG可以驱动微型电机以的超弱驱动频率旋转并达到1000 r min-1以上。TENG还可以很好地收集低频、小振幅的水波能和风能。然而，在所有这些研究中，TENG的大小、输入的机械能和输出的电能都处于宏观尺度。当摩擦纳米发电机的尺寸和输入的机械能缩小到微观尺度时，是否还能和宏观尺度一样，有着良好的输出特性，这是摩擦纳米发电机值得探索的问题。
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基于原子力显微镜实现了单电极摩擦纳米发电机(UMA-TENG)，系统研究了在超微弱机械能输入下的能量转换特性。首先，研究了UMA-TENG的工作原理，其中UMA-TENG通过原子力显微镜的探针提供驱动力，在探针接近与远离UMA-TENG的过程中，外部电路会有电流流过。其次，研究了摩擦纳米发电机工作过程中完整的能量流动，利用原子力显微镜的力曲线模式，记录下了摩擦纳米发电机工作过程中力与位移的关系，同时通过静电计可以测量得到摩擦纳米发电机的电学输出。通过比较电学输出和机械能输入，可以获得UMA-TENG的能量转换效率。研究了摩擦纳米发电机的驱动频率、运动的振幅和分离距离对于UMA-TENG输出的影响。此外，通过引入一个外部的开关实现了UMA-TENG在理想情况下的最大化输出循环，在输入机械能为48 pJ的情况下有着高达73.6 %的能量转换效率。最后，基于UMA-TENG在微弱刺激下有着稳定输出的特性，模拟了对电子开关的控制。这项工作表明，摩擦纳米发电机在超微弱的机械刺激下依然有着出色的性能，可以扩宽摩擦纳米发电机在传感器、微型机器人、电子皮肤、微纳机电系统和可穿戴电子设备等方面的应用。该成果以”Ultraweak Mechanical Stimuli Actuated Single Electrode Triboelectric Nanogenerator with High Energy Conversion Efficiency”为题发表在Nanoscale上，第一作者为硕士生吕羿。原文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/NR/D2NR01530G
图1
超微弱机械刺激驱动的单电极摩擦纳米发电机(UMA-TENG)
(a)
UMA-TENG的结构示意图
(b)
UMA-TENG工作过程中的力曲线
(c)
最大化能量输出循环(CMEO)和能量输出循环(CEO)下的电压-电荷曲线
(d)
CMEO和CEO情况下的输入机械能、输出电能和能量转换效率
