更新时间：2024-09-20 18:25
纳米发电机（Nanogenerator, NG）是一种微型能量转换装置，通过压电效应或者摩擦电效应将环境中低频无序的高能源（机械能）转化成可被利用的低熵能源（电能），从而实现被浪费能源的再次利用。是世界上最小的发电机。
压电纳米发电机是最早出现的纳米发电机，是 2006 年由美国佐治亚州理工大学的王中林教授小组提出的。在2012年，王中林教授研究组的Feng-Ru Fan博士首次提出的摩擦纳米发电机的概念。
纳米发电机从发电原理的差异上区分，纳米发电机主要包含三类：压电、摩擦电和热释电。其中，压电纳米发电机（PENG）和摩擦电纳米发电机（TENG）是收集机械能转化为电能，而热释电纳米发电机（PyENG）则可以收集热能转化为电能。因其具有自供电、重量轻、制造方便等优点而受到广泛关注。经过多年的发展，已经被应用于多个领域，如自驱动传感领域、微纳能源领域和蓝色能源领域等。
压电纳米发电机是最早出现的纳米发电机，是 2006 年由美国佐治亚州理工大学的王中林教授小组提出的。2007年，王旭东等人在单根 ZnO 线纳米发电机的研究基础上，利用镀有Pt层的锯齿形硅电极取代了原子力显微镜探针，将其与垂直生长的ZnO 纳米线阵列扣合封装，制作出超声波 驱动的压电纳米发电机。为了扩展纳米发电机的适用范围，2008年，秦勇和王旭东等人发明了可收集低频率机械能的纤维基压电纳米发电机。为了进一步提高纳米发电机的输出性能，使其更加实用化，2010年，徐升和秦勇等人通过微纳米加工技术将大量定向生长的ZnO纳米线串并联，得到ZnO纳米线横向集成的压电纳米发电机。为了增强纳米发电机的实用性，开发不同驱动方式、收集不同形式机械能的纳米发电机成为纳米发电机研究领域的一个重要方向。王中林教授研究组的Feng-Ru Fan博士于2012 年首次提出的摩擦纳米发电机的概念，并研究了摩擦层表面不同微纳米结构对摩擦纳米发电机输出性能的影响。同年，Long Lin等人通过在PDMS基底上水热生长ZnO纳米线阵列制备出透明柔性的压电纳米发电机；崔暖洋等人报道了一种可以通过磁场作用来驱动的非接触式压电纳米发电机。
2013年,Sangmin Lee等人通过在带有AAO的AI箔片上生长ZnO纳米线阵列制作出16微米厚的超薄压电纳米发电机。同年，Zong-hong Lin等人利用Au纳米颗粒层和PDMS作为摩擦层制备出具有较高输出性能的接触分离式摩擦纳米发电机,并使用这种摩擦纳米发电机作为自供能Hg2*离子传感器与一个LED灯组成完全自供能的Hg2*离子传感系统。
2014年，Zong-hong Lin等人利用修饰有PFTS的纳米TiO2层作为摩擦层制备了能够收集流水能量的接触滑动式单电极摩擦纳米发电机，并利用这种水摩擦纳米发电机作为传感器检测水中乙醇的含量。
压电纳米发电机是一种基于压电效应，能收集环境中微弱的机械能并转化成电能的装置。其基本结构和工作原理如图1所示。压电纳米发电机以压电材料为核心，在轴向的两个表面制作电极。当压电材料在外力作用下发生形变时，其内部晶格的正负电荷中心发生偏移，形成极化电场，从而在材料表面形成束缚电荷。此时，表面的电极将感应出等量的相反电荷，从而在外电路中形成电流。
摩擦纳米发电机是基于摩擦起电效应和静电感应效应两者耦合进行工作，其基本工作原理如图2所示。在开始状态，两个摩擦层表面都不带电荷，电极之间也没有电压（图 2a-Ⅰ）。当有外力施加在样品表面的时候，两个摩擦材料表面相互接触。由于摩擦起电效应，两种摩擦材料的接触部分产生电荷转移。得电子能力强的材料表面带负电，反之带正电。由于这些电荷被局限在摩擦材料表面，且两者紧密接触，使得两个电极之间依然没有电势差的存在（图2a-Ⅱ）。当施加的外力撤去之后，由于材料自身的弹性或者其他结构设计赋予的弹性，两个带电的摩擦层会发生分离。此时，两个电极之间会形成电压（图2a-Ⅲ）。在施加的力逐渐撤去的过程中，两个电极之间的电压会持续升高。直到两个摩擦层回到初始位置，电压达到最大值（图2a-Ⅳ和Ⅴ）。如果此时重新对其加载压力，使两个摩擦层之间的距离越来越接近直到完全接触，那么两个电极之间的电势差将逐渐降低直到降为零（图 2a-Ⅵ）。此时，一个完整的工作循环完成。
如果把两个电极短接，当两个摩擦层分离时，两个电极间的电压将驱动电子流经外电路，形成电流。当两个摩擦层靠近时，两个电极间的反向电势差将再次驱动外电路电子流过。因此，一个完整的工作循环对应着正负两个脉冲电流峰。
热释电纳米发电机是利用具有热释电效应的纳米材料把温度变化转化为电能的一种能量收集器。常用的热释电材料有ZnO、PZT、BTO、PVDF及其复合材料等。
平行板结构是PNG的基础结构，延续了测试压电材料压电性能时的形态。该形态下，将压电材料夹置于两层绝缘片状材料之间，在绝缘材料与压电材料的两个接触面各引出导电板(或导线),外接仪器测量压电响应时的性能。这种结构被称为平行板结构。
TENG利用两个摩擦层的电极性不同，基于摩擦电效应而发生电荷转移从而产生电压。TENG一般都有两个摩擦电层及对应的电极层，有的TENG还有电荷俘获层。目前大部分TENG是由摩擦电层、电极层等普通层状叠合得到的接触式TENG。GASPARINI C等将掺杂氧化石墨烯(GO)的PVDF纺丝液直接常规静电纺丝并镀金作为一个电极，再利用常规静电纺丝镀金聚酰胺6纳米纤维膜作为另一个电极，以两个电极作为电极层，以聚胺6纳米纤维膜作为正摩擦电层，以掺杂GO的PVDF纳米纤维膜作为负摩擦电层，四层直接叠合组成TENG。
根据机械能转换为电能原理的不同，纳米发电机可以分为压电纳米发电机(PENG)和摩擦纳米发电机(TENG)。
主流的纳米发电机有压电纳米发电机(PENG)、摩擦纳米发电机(TENG)和热释电纳米发电机，PENG 和TENG 利用材料的压电、摩擦电和静电感应将环境中的机械能转化为电能，而热释电纳米发电机通过纳米级热释电材料的热释电效应将收集的热能转化为电能。
纳米发电机按照发电机理的不同，可以分为三类，即压电发电机，摩擦电纳米发电机和热释电纳米发电机。压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机能够将外界的机械能转换成电能，热释电纳米发电机能将温度随着时间变化而改变的热能转换为电能。
压电材料在外部机械刺激下产生压电势的过程就是压电效应，基于此效应，Wang等首次提出了氧化锌纳米线阵列的压电纳米发电机，此后，关于压电纳米发电机的研究逐年增加。
压电纳米发电机是由压电层、电极层和保护层组成，如图2(a)所示，蓝色为压电层，橙色为电极层，绿色为保护层，压电纳米发电机的工作原理是当外界的机械刺激(材料弯曲或压缩)作用到压电纳米发电机时，压电层中的偶极子会发生变化，从而改变两极的电荷密度产生压电电流，随后电极层将压电层产生的电流通过导线传输到外部电路中，而保护层可以为纳米发电机提供足够的机械强度和可恢复性。
摩擦起电是指两种不同的物质接触时电荷发生转移的现象，因为摩擦起电产生的电压较高，人们认为这种现象会影响日常生活，因此开发了消除静电的技术。然而，在2012年由Wang等提出的摩擦纳米发电机改变了人们对摩擦电的思路，摩擦电也可以作为一种可收集的生物能源为电子设备提供电能。
摩擦纳米发电机是通过摩擦起电效应和静电感应的耦合作用将机械能转换为电能，它是由负摩擦电层、正摩擦电层、电极层和具有支撑作用的基片组成，基片可以赋予摩擦纳米发电机装置结构稳定性和机械强度。摩擦纳米发电机有四种工作方式，分别是：垂直接触分离模式、横向滑移模式、独立层模式和单电极模式。垂直接触分离模式是最常见的结构，如图2(b)所示，它是通过两个摩擦带电材料进行重复的垂直接触与分离产生周期性电流；如图2(c)所示，横向滑移模式是通过两个摩擦带电材料表面之间的滑动摩擦导致电荷转移从而产生电压；如图2(e)所示，独立层模式是由两个固定的电极和一个摩擦电极组成，它是通过摩擦电极在固定的电极上滑动，导致两个固定电极产生电压，从而产生输出电流；如图2(d)所示，单电极模式只需要一个电极，电极连接负载后接地，与地球产生电势差实现电子的流动，这种单电极模式的TENG常用于柔性可穿戴设备，特别是电子皮肤。
热释电纳米发电机是利用纳米材料的热释电效应，将热能转化为电能的装置。先前，人们都是利用塞贝克效应来收集热能，所谓塞贝克效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的现象。如果外界温度没有梯度而是随着时间的变化而改变，塞贝克效应就失去了效用，这时候就得利用热释电效应来收集热能了。热式电效应是指，由于温度波动而在各向异性的固体材料中产生的自发极化现象。这种热释电纳米发电机能够收集废热能，对环境监测、温度成像、生物诊断以及个人汽车传感器等提供电源。
纳米发电机因其简单的结构，优异的转换效率和高效的输出性能，被应用于越来越多的领域。总结来说分为四个大类：微纳能源，自驱动传感，蓝色能源以及高压能源应用。以手机为代表的便携电子设备和可穿戴的物联网终端越来越普及，涉及到人类生活的各个方面，包括通讯，健康监测，人机互联，运动传感以及出行等。同时，人体运动过程消耗的能量总量相当可观，纳米发电机能够高效地收集这些能量，并为随身携带的电子设备供能。针对人体运动能量的收集应用，研究者们设计出不同的结构，包括皮肤基，织物基，以及纤维基纳米发电机等。
随着世界逐渐进入以物联网、传感网络、大数据、机器人和人工智慧等为代表的新时代，数以万亿计且广泛分布的电子器件对能源的需求和能源结构提出了新的挑战。TENG具有质量轻、体积小、材料选择广泛、结构简单、易安装、免维护等特点，且多样化的工作模式可以适应不同的工作场景，已经被证实能够将人体和环境中的机械能收集起来，实现电子器件和传感器的可持续工作，正是解决新时代分布式电子器件供能的理想解决方案。TENG在收集环境低频机械能方面展现出独特的优势，在植入式医疗、可穿戴电子以及物联网器件的供能方面潜力巨大。基于TENG实现电子器件的自驱动化可以摆脱电源的制约，为新时代分布式电子器件的供能提供了新的范式，是未来物联网发展微小集成化、无线移动化、功能智能化的重要技术支撑。
TENG不但可用于微纳能源收集，还可用作自驱动传感器，即无需外部电源驱动，是一种实现自供电功能的新型传感技术手段。摩擦电式传感器具有多形态、低成本的优势，在人体运动/健康、生物医疗、人机交互、环境监测及基础设施安全等领域展现出广阔的应用前景。通过与信号处理和传输模块集成，可以进一步实现摩擦电式自供电系统的稳定运行和无线传感。基于TENG的自驱动传感技术的提出，不仅推进了TENG的实际应用与产业化实施，还将为中原地区传统产业转型与技术升级提供支撑，并有望推动当代经济结构调整和转型。
目前，海洋能开发的主要技术路径是将海洋能量转化为发电机装置中机构的机械能，经过传动装置的调理，进一步转化为电磁式发电机的动力而发电。此路径技术复杂、效率低、维护和运行成本高、装置可靠性差，制约其大规模商业化开发利用和发展。而TENG对于收集无序、低频海洋能源具有显著优势，带来了海洋能高效开发利用的全新机遇和未来，有望构建划时代的智慧海洋，高效利用海洋能源、生物、矿场、水等稀缺资源，以及全方位获取辐射、污染、洋流、军事等重要信息，为碳中和提供新的范式。
TENG的高电压、低电流特性使其可作为新型高压电源，具有较好便携性和安全性。基于TENG的新型高压电源通常无需复杂的电源转换器，可极大简化整个系统，且较低的电流对人员和仪器安全威胁较小，在大幅减小高压电源体积的前提下，兼具轻巧、实用、方便且高效的优点。因此，开发基于TENG的新型高压电源具有极大应用价值，在高端生物与化学分析仪器、废弃物回收和空气净化方面展现出应用前景。此外，基于TENG的高压电源在自驱动静电纺丝、微流泵、微流控、微等离子体激发及静电驱动等方面应用潜力很大。开发基于TENG的新型高压电源可满足电子设备小型化、高效化和高性能化的新时代需求。
(1)在压电材料中引入其他功能材料，如热释电、光电、摩擦电、电磁中子辐射防护服等，以赋予PNG多种功能，提升PNG的综合输出性能和拓宽其应用范围。
(2)将压电理论与摩擦电、热释电、光电等发电理论结合，探究不同材料性能表现间的相互关系，明确不同材料的耦合作用，如电荷存在状态的变化过程、电荷转移方向、分子构型对电荷转移的影响、不同材料在宏观结构上的匹配方式等，以丰富PNG及其混合器件的基础理论，指导PNG及其混合器件的研制与优化，研制具有多源能量采集能力的混合纳米发电机。
(3)依据非常规应用的性能需求，创新构思、开放设计PNG及其混合器件的结构，如工业领域的便携式设备、纺织领域的智能可穿戴设备与医学领域的自驱动心脏起搏器等，以提高其对机械能的感应能力和传感灵敏度，扩宽应用范围，提升应用价值。
(4)将采能模块、储能模块、输能模块集成，实现PNG及其混合器件的微型化，并探索更为便捷、有效的封装方法，构建完全柔性的自驱动系统，进一步实现高输出性能、高功率、高转化效率的高效能目标。
纳米发电机的发明，被中国两院院士评为2006年度世界科学十大科技进展之一；2008年，被英国《物理世界》评选为世界科技重大进展之一；2009年，《MITTechnologyReview》评选为十大创新技术之一;《ScienceWatch》在有关能源和燃料的一刊中重点报道了王教授发明纳米发电机的过程和重大意义；英国《新科学人》期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一。
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