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柔性摩擦发电机
范冯如a,b，田中群b，王中林a,*
a佐治亚理工学院材料科学与工程学院，亚特兰大，乔治亚州30332-0245，美国
b化学学院化学系固体表面物理化学国家重点实验室，厦门大学化学工程系，中国厦门361005
收到日期：2012年1月6日
接受日期：2012年1月10日
2012年1月20日在线发布
摘 要
摩擦电过程中产生的电荷在科学研究或技术应用中通常被称为负效应，在许多情况下都是能量浪费。在这里，我们演示了一种简单、低成本和有效的方法，即在摩擦中使用充电过程将机械能转换为电能，用于驱动小型电子设备。摩擦电发生器（TEG）是通过将两种具有明显不同摩擦电特性的材料制成的聚合物薄片堆叠在一起制成的，金属薄膜沉积在组装结构的顶部和底部。一旦受到机械变形，由于纳米级的表面粗糙度，两个薄膜之间的摩擦会在两侧产生等量但相反符号的电荷。因此，摩擦电势层在界面区域形成，当系统电容发生变化时，摩擦电势层充当电荷“泵”，用于驱动外部负载中的电子流。这种柔性聚合物TEG在功率密度为10.4 mW/cm3时提供高达3.3 V的输出电压。TEG具有从人类活动、旋转轮胎、海浪、机械振动等方面获取能量的潜力，在个人电子、环境监测、医学甚至大规模电力的自供电系统中有着巨大的应用。
amp;2012爱思唯尔有限公司版权所有。
关键词：摩擦电效应；发电机；聚合物；能量采集
Abstract
Charges induced in triboelectric process are usually referred as a negative effect either in scientific research or technological applications, and they are wasted energy in many cases. Here, we demonstrate a simple, low cost and effective approach of using the charging process in friction to convert mechanical energy into electric power for driving small electronics. The triboelectric generator (TEG) is fabricated by stacking two polymer sheets made of materials having distinctly different triboelectric characteristics, with metal films deposited on the top and bottom of the assembled structure. Once subjected to mechanical deformation, a friction between the two films, owing to the nano-scale surface roughness, generates equal amount but opposite signs of charges at two sides. Thus, a triboelectric potential layer is formed at the interface region, which serves as a charge lsquo;lsquo;pumprsquo;rsquo; for driving the flow of electrons in the external load if there is a variation in the capacitance of the system. Such a flexible polymer TEG gives an output voltage of up to 3.3 V at a power density of 10.4 mW/cm3. TEGs have the potential of harvesting energy from human activities, rotating tires, ocean waves, mechanical vibration and more, with great applications in self-powered systems for personal electronics, environmental monitoring, medical science and even large-scale power.
amp; 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Triboelectric effect; Generator; Polymer; Energy harvesting
介 绍
最近，使用纳米技术的能量收集和转换设备受到越来越多的关注，因为它们可能在构建和驱动自供电纳米设备和纳米系统方面发挥重要作用[1–7]。2006年，我们的小组演示了第一个使用氧化锌纳米线成功地将机械能转换成电能的压电纳米发电机[8]。随后，基于压电效应的各种材料和纳米发电机的设计得到了证实[9–15]。纳米发电机的输出功率足以驱动商用发光二极管（LED）、小型液晶显示器甚至自供电无线数据传输系统[7,16,17]。发电功率密度已经达到1–10 mW/cm3。
作为一般原理，可以产生电荷、用相反的符号分离电荷并利用它们产生的势能驱动自由电子流的方法被称为发电机，它可以基于电磁、压电、热电[18,19]甚至静电效应。纳米发电机依靠氧化锌纳米线产生的压电势来达到所列目的。或者，摩擦电相关的静电现象是我们日常生活中最常见的现象，从步行到驾驶，但它作为电能的一种能源被忽视了。如果能利用摩擦学过程中产生的电荷/电势来发电，那将是非常美妙的。静电微发电机已被开发并应用于微电子机械系统（MEMS）的研究领域[20-22]。但这些设计主要基于无机材料，设备的制造需要复杂的工艺和复杂的操作。本文报道了一种简单的、基于全聚合物的柔性发电机，用于通过摩擦过程采集机械能。通过将两种由聚酰亚胺（Kapton）和聚酯（PET）制成的聚合物薄膜堆叠起来，可以通过聚合物薄膜的机械变形来实现电荷的产生、分离和感应过程。在3.3 V的输出电压下，功率输出密度达到10.4 mW/cm3已经实现。这是一种简单、低成本、易于扩展的发电机制造工艺，可以使用传统的柔性/可折叠聚合物材料将生活环境中的随机机械能转换为电能。这项技术具有很大的潜力，可以扩展到用于环境监测、个人医疗网络、电子应急设备和其他自供电系统的能量移动和个人电子设备。
实 验
发电机制造
图1a示意性地显示了聚合物基摩擦电发生器（TEG）的典型结构。TEG就像一个夹层结构，两个不同的聚合物板交替堆叠，没有层间结合。将一个矩形（4.5 cm 1.2 cm）聚酰亚胺膜（125mu;m厚，杜邦500 HN）放置在另一个柔性PET基板（Duralar，220 mu;m厚）上。装置的两个短边用普通胶带密封，以确保两个聚合物板之间充分接触。通过溅射涂层，在结构的顶部和底部表面覆盖一层薄薄的金合金薄膜（厚度为100纳米）。金属薄膜在这里起着两个重要的作用：（1）通过界面区域摩擦产生的电位的静电感应产生相等但相反符号的移动电荷；（2）用作将器件与外部电路直接连接的公共电极。该装置的整个制备过程简单，便于大规模生产升级。因此，我们的设计使用更少的材料和工艺步骤，从而节省成本。
a）弯曲和释放 b）摩擦发电机的拟议机理
图1 摩擦发电机的结构和工作原理示意图
（a）弯曲和释放过程中集成发电机的结构和相关电气测量试验。柔性摩擦发电机和机械弯曲设备的摄影图像。（b）摩擦发电机的拟议机理（详情见正文）：电荷是通过摩擦两个聚合物薄膜产生的，这导致在界面区域产生摩擦电势层（虚线表示）；机械压缩导致两个电极之间的距离发生变化（从D到d），因此，在摩擦电势的驱动下，系统电容的变化导致外部负载中的电流流动，从而驱动自由电子流过电极，以最小化系统的总能量。
结果和讨论
摩擦发电机发电机理
摩擦发电机装置和发电机制如图1a和b所示。由于在变形过程中对装置施加外力，两种绝缘聚合物材料相互接触和摩擦。尽管两种聚合物薄膜的表面在光照下看起来明亮光滑，但实际上它们不均匀，粗糙度不同，达数百纳米（支持信息（SI）中的图s1）。两层聚合物之间的机械压缩导致相对滑动。由于摩擦力很小，由于存在纳米级的粗糙度，在聚合物薄膜的两个表面上产生并分布了带相反符号的静电电荷，使PET薄膜带正电荷，聚酰亚胺薄膜带负电荷，并形成一个界面偶极子层，称为摩擦电层。这种偶极子层在平面金属电极之间形成一个内电位层。由于聚合物薄膜具有绝缘性，因此诱导电荷不会很快被传导走或中和。为了使摩擦电势产生的能量最小化，静电诱导的自由电荷将流过两个电极之间的外部负载。同时，两层聚合物之间的机械压缩导致平面间距离（从D到d）略有减小。如果C是系统的电容，V是两个电极之间的电压，则通过外部负载产生的电流为
(3-1)
第一项是由于静电感应电荷引起的顶部和底部电极电位的变化。第二项是当装置发生机械变形时，上下电极之间的距离发生变化时，系统电容的变化。只有当两个电极之间存在由摩擦电效应引起的电位降时，这个过程才会产生电流。系统电容的变化是由于机械压缩导致两个电极之间的平面间距离变化引起的。这些是对输出电压/电流中观察到的第一个峰值的贡献（见图2）。整个发电过程的详细描述如图S2所示。
图2 典型摩擦式纳米发电机的电输出
（a）开路电压和（b）正向连接到测量系统时的短路电流。（c）开路电压和（d）反向连接到测量系统时的短路电流。插图是电压和电流输出中单个信号峰值的放大图。注：如果输出信号确实来自TEG，则应参考测量电压表确定正向和反向连接。
一旦摩擦学力被消除，结构被消除，两个聚合物薄膜恢复其原来的形状，摩擦学上产生的正负电荷可能中和，两个电极之间的静电感应电荷重新组合。这是以相反方向输出电流峰值的过程。上述的发电过程与压电交流纳米发电机[11]的发电过程类似，只是这里的驱动力是摩擦电势而不是压电势。重要的是要注意的是，摩擦电效应并不存在于我们之前开发的压电纳米发电机中，正如在最后详细讨论的那样。
电输出性能表征
为了研究聚合物摩擦发电机的性能，我们对该体系进行了详细的电气表征。由于两个金属电极之间存在聚合物绝缘，该装置在I-V测量中显示出明显的开路行为（图S3）。在周期性搅拌（0.33赫兹和0.13%应变）中，使用直线电机定期弯曲和释放摩擦发电机期间，最大输出电压和电流信号分别高达3.3伏和0.6毫安（图2）。峰值输出功率密度达到了10.4 mW/cm3，这与基于更复杂设计的接收功率密度相兼容[7]。聚合物摩擦发电机产生的电能被储存起来并用于点亮商用LED（SI中的视频S1）。所产生的电荷可以使用整流器和连接10个电容器（22 mu;f）的存储装置并联存储[16,23]。在充电过程中，对单个电容器的电压进行了监测，最终达到0.2V。整个充电过程只需要装置运行450个机械变形周期（图3e和f）。该装置在制造和测试105个循环后30天内也显示出良好的耐久性和稳定性（图S4）。
与本文相关的补充材料可在doi:10.1016/j.nanoen.2012.01.004上在线找到。
图3 摩擦发电机产生的电能的线性叠加试验和储存及其在驱动商用LED上的应用。
与（a）相同极性（S1 S2）和（b）相反极性（S1 -S2）并联的两个TEG的总输出电流显示出预期的线性叠加。当（c）正向连接或（d）反向连接到测量系统时，四个TEG以各种连接形式的总输出电流。这些实验证明了所观测到的信号是由TEGS产生的，其输出符合线性电路的基本原理。（e）用摩擦发电机泵送时，单个电容器的充电曲线，显示存储电荷随着充电时间的增加而稳定增加。（f）在被储存的能量点亮之前和那一刻，商业红色LED在昏暗背景下的图像。
TEG的电力输出应满足基本电路连接中的线性叠加准则[11]。当两个或四个TEG并联时，我们进行了电流测量，以检验电流的线性叠加。结果表明，当两个TEG沿同一方向连接时，总输出电流增强，近似等于单个输出电流之和（图3a）。相比之下，当两个TEG并联但反向连接时，总输出电流减小（图3b）。对四种TEG进行测试，也得到了相同的结论。无论是正向连接还是反向连接到测量系统（图3c和d），总输出电流都可以通过各种连接方式进行增强（同一方向）或减小（反向）。上述结果不仅排除了可能存在的伪影，而且表明，由于摩擦发电机具有较薄的平板结构，通过并联多个摩擦发电机并将其分层组装，可以大大提高单位面积的输出电流和功率。
TEG的发电性能受弯曲频率、应变和应变率的影响。图4a显示了给定应变（0.13%）在0.33到5赫兹的各种弯曲频率下的TEG
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