【《摩擦纳米发电机的发展分析国内外文献综述》2800字】

摩擦纳米发电机的发展研究国内外文献综述1.1摩擦电纳米发电机的概述摩擦电纳米发电机(TENG)是一种能够将微小的动能和势能转变成为电能的装置[1]。在它的内部结构中，两侧的摩擦层是由两种具有不同摩擦电极性的材料构成的。当它们在外力的作用下两者之间发生接触时，由于电子的转移使得两侧摩擦层的电势不一样，从而形成一个电势差。而在外部结构中，存在着的电势差使电子在TENG背面的电极之间发生了转移，电子的移动又可以使摩擦层之间的电势差发生变化，最终趋于平衡。王中林教授团队于2012年首次提出TENG这一概念[2]。从那时候起，TENG随着新设备架构的出现和新功能材料的使用得到了传播和改进。TENG有四种工作模式，分别为垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立摩擦电层模式[3]。同其他类型的能量收集或传感设备相比较而言，TENG并不像传统的电磁发电机那样基于磁铁或线圈发电，TENG设备具有质量轻、材料选择广泛、成本低等优势，而且它们在低频时也能表现出最佳性能。1.2柔性摩擦电纳米发电机传统的摩擦电纳米发电机存在着杨氏模量比例失配等问题[4]，比如刚性金属电极与聚合物材料不能很好的结合，这对摩擦电纳米发电机的发展有一定的局限性。所以最近几年摩擦纳米发电机的研究重点在于如何提高它的柔韧性和可塑性。目前，柔性摩擦电纳米发电机的制备原材料主要分为纤维和聚合物这两种。纤维材料具有柔软、价格低廉和可任意修剪等特点，与传统的纳米发电机相比，以纤维材料制备而成的柔性TENG更具有柔韧性。在2018年，韩国首尔汉阳大学的Wu等人[5]使用纸张作为原材料设计而成了一种柔性摩擦纳米发电机。其中，在纳米线上镀上一层银薄层，并将其均匀涂覆在纸张上就可以制成柔性电极。他们在实验测试中发现，在不影响它的使用性能的情况下可以任意改变所制备的柔性TENG的尺寸规格和式样。另一方面，实验还发现该TENG具有一定的生物相容性，这点正好又符合当下绿色环保无污染的发展理念。实验者们发现将该TENG放在人的衣物口袋或者鞋中，就可以在人体运动的时候收集人体运动所产生的动能与势能，然后通过装置内部将收集到的动能与势能转化成为电能。该项工作相对较好的展示了使用纸基材料制备TENG的应用发展潜力，这标志着我们向绿色能源技术的方向跨出了一大步，也为发展柔性TENG可穿戴设备[5,6]奠定了有效条件。与纤维基TENG相比，聚合物基TENG具有较高的表面电荷密度和极好的耐磨性，同时也具有柔韧性、机械性能和易加工等特点。所以，在制造柔性TENG的时候大多会采用聚合物材料。2016年，Zheng等人[6]联合第二军医大学选用聚四氟乙烯（PTFE）和铝电极制备出了一种基于接触分离结构式的摩擦电纳米发电机，实验者们使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为TENG器件表面的封装材料，并将制作完成的柔性TENG放在了水中，同时记录TENG在该条件状态下的电流与电压。实验的结果显示TENG的开路电压为60V，短路电流为12μA。实验者们又将制得的TENG与数据采集、处理和无线传输系统[7]连接在一起，该组合系统可以收集生物心脏跳动产生的能量并将其转化成为电能，这既可在收集能量的同时也可无线监控生物体其他各项功能指标。这项实验为柔性摩擦电纳米发电机在微型机电系统（MEMS）的发展奠定了良好的基础。1.2发展趋势在研究人员的广泛关注下，摩擦发电技术从问世再到今天的发展，虽然研究进程在大幅度的向前推动，但从科学研究转化为生产技术还需要理论联系实际。我们仍然需要在实践中检验。TENG的优势在于其有多种的能源采集方法、输出电压较高，能够形成较强的电场[8]。另一方面，TENG所产生的电流与电压输出数值的大小又能够直观的反映物体机械运动强度的大小。因此，TENG在信号传感领域具有较大的发展潜能。风能是一种可再生能源，它具有广阔的发展前景和研究价值。Yang等首先[9]报道了一种以颤振摩擦起电作为发电机理，用于收集环境中风能的非转动式TENG。实验者们先将氟化乙烯丙烯共聚物膜（FEP）的一面固定在管底部开端的中间，而膜的另一面可以自由移动。在风驱动的振动下，两个铝箔与FEP膜之间会发生周期性摩擦与碰撞，从而产生输出电压和输出电流。实验者们将TENG与阻值为108Ω的电阻连接时，测得其整流后的输出电压Voc与输出电流Isc分别为20V和0.5μA，如果将四个这样的TENG串联在一起，总输出电压Voc与电流Isc分别提高到100V和1.6mA。该输出电压可以直接点亮40个LEDs。2013年，Lin等人[10]提出了第一个用于收集水体势能的TENG。工作者们选用去离子水作为实验的模拟用水并将PDMS与电机连接在一起，在电机的控制下会以恒定的速率与水体进行接触分离，通过PDMS和水体的不断接触与分离产生电能，其输出电压最高可以达到82V。该工作首次证明了通过TENG与水体结合的工作模式能够高效率收集自然界中水文运动产生的机械能。研究者们向来采用增加摩擦层接触面积的方法来提高摩擦纳米发电机的输出电流与电压。2019年Zhang等团队[11]设计了一种斜微阵列结构，并根据新型结构制备出了具有一定耐磨性的摩擦纳米发电机。该纳米发电机是采用斜向PDMS棒的工作模式，在工作条件下斜向PDMS棒均匀弯曲并沿单向滑动以此提高复合材料的接触面积。其输出电压可高达1014.2V，该电压足够为48个LED灯提供电能。因此可作为一种持续的动力源。另外还可以通过改变摩擦层材料介电常数的方式来提高其输出性能。Zhong团队[12]报道了第一个使用纤维基制作成的TENG，它能够用于给电容提供电能、驱动LED或无线传感系统。这说明利用自驱动智能衣来驱动可穿戴电子设备和生物医学应用具有一定的可行性。该TENG是由两种涂有碳纳米管的棉线改性后相互缠绕而成。在周期性振动下，通过垂直接触-分离模式得到输出电流经过整流器给电容充电，在27s内充电电压可达2.4V，该输出电压能够点亮一个LED灯。另外，实验还证明了用纤维基制成的TENG也能用于驱动无线体温检测系统。此后，Liu等人[13]使用聚偏氟乙烯（PVDF）拉伸出电纺丝并组成高分子纤维薄膜，又在采用呼吸驱动原理的TENG的基础上衍生出一种通过静电吸附作用的自供能面罩。该面罩利用超细粒子通过静电纺PVDF纳米纤维薄膜作为摩擦层和滤网，在呼吸作用时通过持续摩擦提供的静电荷和电场实现对颗粒物的静电吸附过滤。研究还发现，该装置对细颗粒的去除率比较大。参考文献WuCS,WangAC,DingWB,etal.TriboelectricNanogenerator:aFoundationoftheEnergyfortheNewEra[J].AdvancedEnergyMaterials,2019,9(1):1802906.ChenHM,ZhangSC,ZouYX,etal.Performance-EnhancedFlexibleTriboelectricNanogeneratorBasedonGoldChloride-DopedGraphene[J].ACSAppliedElectronicMaterials,2020,2(4):1106-1112.WangZL,ChenJ,LinL,etal.ProgressinTriboelectricNanogeneratorsasaNewEnergyTechnologyandSelf-PoweredSensors[J].Energy&EnvironmentalScience,2015,8(8):2250-2282.LiuYQ,SunN,LiuJW,etal.IntegratingaSiliconSolarCellwithaTriboelectricNanogeneratorViaaMutualElectrodeforHarvestingEnergyfromSunlightandRaindrops[J].ACSNano,2018,12(3):2893-2899.WangJH,WangH,ThakorNV,etal.Self-PoweredDirectMuscleStimulationUsingaTriboelectricNanogenerator(TENG)IntegratedwithaFlexibleMultiple-ChannelIntramuscularElectrode[J].ACSnano,2019,13(3):3589-3599.毕晨，安一博，苑华翯等.摩擦纳米发电机及其应用[J].微纳电子技术，2020，57(03)：169-182+222.ShahriarM,VoCP,AhnKK.Self-poweredFlexiblePDMSChannelAssistedDiscreteLiquidColumnMotionBasedTriboelectricNanogenerator(DLC-TENG)asMechanicalTransducer[J].InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing-GreenTechnology,2019,6(5):907-917.ShiX,ChenS,ZhangH,etal.PortableSelf-chargingPowerSystemViaIntegrationofaFlexiblePaper-basedTriboelectricNanogeneratorandSupercapacitor[J].ACSSustainableChemistry&Engineering,2019,7(22):18657-18666.XueH,YangQ,WangD,etal.AWearablePyroelectricNanogeneratorandSelf-PoweredBreathingSensor[J].NanoEnergy,2017,38(16):147-154.张弛，付贤鹏，王中林.摩擦纳米发电机在自驱动微系统研究中的现状与展望[J].机械工程学报，2019，55(07)：89-101.LiT,ZouJ,XingF,etal.FromDual-modeTriboelectricNanogeneratortoSmartTactileSensor:aMultiplexingDesign[J].ACSNano,2017,11(4):3950-3956.LiZB,LiHY,FanYJ,etal.Small-sized,Lightweight,andFlexibleTriboelectricNanogeneratorEnhancedbyPTFE/PDMSNanocompositeElectret[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2019,11(22):20370-20377.LiXH,HanCB,ZhangLM,etal.CylindricalSpiralTriboelectricNanogenerator[J].NanoResearch,2015,8(10):3197-3204.KimD,JinIK,ChoiYK,etal.FerromagneticNanoparticle-EmbeddedHybridNanogeneratorforHarvestingOmnidirectionalVibrationEnergy[J].Nanoscale,2018,10(26):12276-12283.ZhaoH,XiaoX,XuP,etal.Dual-TubeHelmholtzResonator-BasedTriboelectricNanogeneratorforHi