中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林

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通过耦合弹簧及多层结构集成多个基本发电单元

研究亮点：

1. 通过耦合弹簧及多层结构集成多个基本发电单元，成功制备可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机。

2. 单个球形发电机的电流输出较以往球形发电机提高两个数量级以上，单球最大输出功率达到7.96 mW。

3. 通过球形发电机阵列化和能量存储，构建水温测量的自驱动系统。

能源在人类生活中扮演着非常重要的角色，现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源，这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭，迫切需要寻找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有储量丰富、受环境因素影响较小等优点，是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是，近几十年世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机，而电磁发电机因其自身的工作原理所限，难以有效收集这种低频的、随机的能源。

王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机，它利用麦克斯韦位移电流的机理，将周围环境中的机械能转化为电能。同时球形结构摩擦纳米发电机因其具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点已经被用来收集水波能。但是在之前报道的工作中，还存在输出电流较小等缺点，限制了它的实际应用。

有鉴于此，中科院纳米能源与系统研究所王中林院士团队通过耦合弹簧及多层结构制备了一种可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机。

研究团队首先结合弹簧辅助结构和球形结构的优点，并在一个球壳空间内集成多个基本发电单元形成多层结构，成功制备出耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机，用于收集水波能。该球形摩擦纳米发电机中每个发电单元的工作模式均为垂直接触-分离模式。

在真实水波实验环境中，在1.0Hz的水波频率，2.5 V的信号发生器输出电压幅值（对应于水波振幅）的水波冲击下，其最大功率可达7.96 mW，输出电流为120 μA。

其次，进一步研究了不同水波频率和不同水波振幅下，该摩擦纳米发电机的电学输出性能，发现其在1.0 Hz的水波频率下能达到最大输出值，能较好地适用于水波的低频工作环境。

然后，从球形摩擦发电机中所用的铜块质量以及集成的发电单元数量两个方面对其进行结构优化。最后，将四个优化后的球形摩擦纳米发电机组成发电阵列，其输出功率和输出电流分别达到15.97 mW和225 μA，并成功驱动电子温度计工作，测量水的实时温度，显示了该摩擦纳米发电机在水波能大规模收集中的巨大潜力。

总之，该研究成功制备了一种收集水波能的球形摩擦纳米发电机，通过结构设计与优化，其输出电流和输出功率较以往工作均有较大幅度提高，显示了纳米发电机在大规模收集水波能中的潜在应用价值。

参考文献：

XiaoT X, Liang X, Jiang T, et al. Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting[J]. Advanced Functional Materials, 2018: 1802634.

DOI:10.1002/adfm.201802634

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201802634