中科院纳米能源所&北京科技Nano Energy：位于鞋底的摩擦纳米发电机收集行走时的低频能量

【引言】

可穿戴电子器件已经成为系统功能化时代的研究焦点。每个人可能都受到这些创新带来的便利，例如生物反馈、基于可持续电源的生理功能跟踪。电化学电池，如锂离子电池，是当前可携带电子器件主要的电源设备。然而这些传统的电池很笨重，不能在自供电模式下工作，不适合现有的微型可塑设备。为解决这些问题，基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机（TENG）应运而生。当前，TENG从环境中收集机械能量已经被广泛研究。例如王中林小组研究的超薄柔性单电极TENG可以收集人行走和环境中的机械能以及有助于睡眠监测和实时移动医疗服务的自驱动系统。迄今，TENG已经取得了快速的发展，但是对于TENG的制备，需要特殊的摩擦材料以及电极层，这导致生产过程复杂，不适合在生活中普遍推广。为此，研究人员构建了一种新的TENG，能够将行走时的低频能量转化为电能。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所及北京科技大学的曹霞研究员、北京科技大学数理学院王宁教授（共同通讯作者）研究小组构建了一种新的TENG。该TENG以人体和地面作为摩擦系统的电极，有助于橡胶鞋底收集人行走时的机械能。在低频下，发电机产生的开路电压和短路电流可以达到400V和12μA。该研究成果以“Natural Triboelectric Nanogenerator Based on Soles for Harvesting Low-Frequency Walking Energy”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 系统的结构设计

（a）系统的工作模型；            （b）工作系统的照片；

（c）系统的开路电压；           （d）系统的短路电流。

图2. 系统的工作机理

图3. 摩擦纳米发电机的性能

（a）  在不同面积下，系统的短路电流；

（b）  在不同频率下，系统的短路电流；

（c）  开路电压和短路电流在不同负载下的输出（面积：250cm²，频率：2Hz）；

（d）  在不同负载下的功率密度。

图4. 外界因素对发电机输出的影响

（a）  在不同鞋底材料下的短路电流输出；

（b）  在不同地板材料下的短路电流输出；

（c）  在0~6kg的载荷下，短路电流输出；

（d）  系统的稳定性测试。

图5. 可穿戴、便携式自驱动系统的应用

（a）  发光触摸壁纸的照片；

（b）  发光登山杖照片；

（c）  发光鞋照片。

【小结】

研究人员设计了一种可以收集人行走产生机械能量的TENG。以人和地面作为摩擦起电系统的电极，便于自驱动系统的集成。橡胶鞋底和地面压缩和释放过程将产生摩擦起电效应和电荷分离。在低频下，发电机产生的开路电压和短路电流可以达到400V和12μA。这个工作为设计可穿戴器件和低频能量收集提供了有效途径。

文献链接：Natural Triboelectric Nanogenerator Based on Soles for Harvesting Low-Frequency Walking Energy（Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.029）

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