摩擦發電的案例
基于comsol的摩擦發電動態仿真 ￥2200
<sup>[7]</sup><img> 在納米能源所，王中林團隊已開發出旋轉式直流<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%91%A9%E6%93%A6%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA/13475281" rel="nofollow">摩擦發電機</a>、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%88%B9%E8%BD%A6/70507" rel="nofollow">剎車</a>發電模擬裝置、自驅動無線觸摸報警器、柔性透明摩擦發電機、碟式寬頻摩擦發電機、腳踏式摩擦發電機、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%BD%AE%E6%B1%90%E8%83%BD/3553519" rel="nofollow">潮汐能</a>收集裝置等摩擦發電裝置。<sup> [8-9]</sup><img> 摩擦電發電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。<sup> [8-9]</sup><img> 將來只要正常走路，安在鞋里的摩擦電發電機就能隨時為你自己隨身攜帶的手機充電。與工業大規模發電不同，摩擦電發電機可以讓運動著的每個人都“發電”，可以讓司空見慣的摩擦、擠壓、墜落等現象都變成發電的動力源。未來，汽車剎車就能發電充電；如果把摩擦電發電機鋪在馬路上，每一輛駛過的汽車都能參與發電過程。（轉載至百度百科）</p><p><img>本模型制作了摩擦發電的最基本原理模型，在穩態分析的基礎上，升級為瞬態動態分析，并設置了極化方向隨摩擦接觸切換。
展開 湖南工業大學在商用織物摩擦納米發電方面取得進展
隨著便攜式和可穿戴電子設備需求的迅速增長，織物基摩擦納米發（TENG）電機因其舒適性和易與服裝集成的特點，受到廣泛關注。然而普通織物基摩擦納米發電機，因輸出性能較低，限制了其在實際中的應用。如何有效提升普通織物的摩擦發電輸出性能是其實用化的重大挑戰。
鑒于此，湖南工業大學經鑫教授課題組提出了一種普適簡易的改性方法，通過碳納米管（CNT）和聚乙烯亞胺（PEI）的接枝實現了商用天鵝絨織物摩擦電性能的顯著提升。通過在織物表面引入碳納米管和酰胺鍵，一方面構筑了微納層級結構，另一方面提升了織物的正電性，使織物具備更高的電荷密度和摩擦納米發電性能。
圖1 天鵝絨織物改性原理及微觀形貌
本研究開發的織物基摩擦納米發電機具有良好的柔性、耐洗性、長期運行穩定性。并可獲得119 V的最高輸出電壓和12.6 μA的電流，在外接5×106 Ω負載時，實現了3.2 W/m2的最大功率密度，可作為小型電子設備的電源。
圖2 織物基摩擦納米發電機水洗測試（a,b,c）及摩擦發電性能（d-i）
研制的織物基摩擦納米發電機具備優異的壓力傳感性能，并能夠簡易地與織物集成實現觸覺傳感。研究還制備了適于冬天使用的手套界面，展現了織物基摩擦納米發電機在人機界面應用中的巨大潛力。
圖3 織物基摩擦納米發電機傳感性能
本研究為提升織物基摩擦納米發電機輸出性能提供了新的思路，并為織物基摩擦摩擦納米發電機和自供電傳感器的設計開辟了一條新的途徑。
展開 Nano Energy：變廢為寶的摩擦納米發電機所驅動的無線傳感網絡及環境監測應用
傳統的流體能量收集主要是基于電磁效應，這種方式雖然已經被廣泛用于大規模發電。然而，維護成本高、體積大、難以攜帶阻礙了它們在便攜式環境監測系統中的發展。近年來，基于接觸帶電和靜電感應原理的摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）已經被證明是一種高效、經濟、且易于小型化的能量獲取方式。將摩擦納米發電機和無線環境監測傳感網絡結合，為長期環境監測提供了最佳解決方案。
【成果簡介】
近日，來自重慶大學的楊進教授和中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（共同通訊作者）聯合在Nano Energy上發表文章，題為：“Wireless Self-Powered Sensor Networks Driven by Triboelectric Nanogenerator for in-situ Real Time Survey of Environmental Monitoring” 在這項研究中，首次通過變廢為寶的方式利用回收的牛奶盒作為摩擦發電單元制作了摩擦電納米發電機(AS - TENG)，其中牛奶盒本身材料是由聚乙烯(PE)、鋁箔(Al)和紙漿依次層壓而成，只需簡單處理就可作為摩擦發電機的發電單元。這種發電機可以實現對風能和水能的收集，并長期為無線環境監測節點供電。摩擦納米發電機因為采用了獨特的弧形結構設計，在和流體相互作用時產生渦激振動從而實現流體能量到電能的轉化。此外，開發了以弧形摩擦納米發電機為電源的自供電無線環境監測系統，在真實河流中進行流體能量采集，并實現了對河流水質(pH值)以及環境滑坡的長期監測和預警。
展開 AEM：滑移式電荷泵穩壓增流技術提升摩擦納米發電機性能
：用于火災逃生和救援的可機械化生產的3D蜂巢組織阻燃摩擦納米發電織物
中科院納米能源所王杰&王中林團隊《自然通訊》：基于摩擦納米發電機的形狀可設計且高度壓縮回彈的三維編織結構智能發電和傳感織物
中科院納米能源所蒲雄、胡衛國&王中林團隊在可拉伸自充電織物領域取得新進展
中科院納米能源所蒲雄研究員、胡衛國研究員、王中林院士團隊研制出一種可任意變形和瞬時自愈合的摩擦納米發電機
北京大學付恩剛教授課題組與中科院納米所陳翔宇研究員和王中林研究員課題組合作：在摩擦納米發電機材料領域取得重要進展
北石化楊丹副教授聯合中科院納米能源所陳翔宇研究員《Nano Energy》：利用摩擦納米發電機驅動離子聚合物金屬復合材料取得進展
城大王鉆開教授、UNL曾曉成教授和納米能源所王中林院士合作Nature:用一滴水點亮了100個LED燈
中科院納米能源所王中林院士團隊:具有超高輸出穩定性與耐久性的低頻摩擦納米發電機
華中科技大學吳豪研究員團隊和中科院納米能源所王中林院士合作在機器人電子皮膚領域取得新成果中科院納米能源所王中林院士課題組和普渡大學范鳳茹博士合作：一種具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦納米發電機
中科院納米能源所王中林院士、潘曹峰研究員 ACS Nano：面向閉環系統的電子皮膚
中科院納米能源所王中林院士團隊：纖維/織物基壓電和摩擦電納米發電機應用于可穿戴電子和人工智能系統
中科院納米能源所李舟研究員、王中林院士團隊和北航樊瑜波教授團隊合作：仿電鰻可拉伸水下發電機及其應用研究獲進展
中科院納米能源所李舟研究員、王中林院士團隊和北航樊瑜波教授團隊合作
展開 
王中林院士團隊：基于彈簧輔助多層結構的球形摩擦納米發電機高效水波能量收集
該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發電機，通過結構設計與優化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發電機在大規模收集水波能中的潛在應用價值。
來源：高分子科學前沿
Comsol基于摩擦發電原理的自供電運動傳感器仿真 ￥1800
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> <img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/03b6f11d1d224b0e917dfb3107ee9959.gif"> </p><p> 之前在NANO有一篇論文，描述了自供電運動傳感器仿真，采用了摩擦發電的原理：</p><p><span style="color: rgb(102, 102, 102); background-color: transparent;">摩擦納米發電機因其制備簡單,瞬時功率大,成本低等優勢,在環境能量采集和自供電傳感器設計方面具有廣泛的應用前景.為了激發學生對這一前沿領域的興趣和科研熱情,拓寬學生的知識面,該文設計了基于摩擦發電的高靈敏度自供電加速度傳感器.通過選取摩擦靜電序列差異較大的摩擦副材料,提高傳感器的輸出性能.金屬質量塊置于摩擦副的上表面,通過響應環境振動信號來驅動摩擦層進行接觸分離運動,使傳感器輸出與振動信號振幅對應的電信號.實驗結果表明,所研制的傳感器無需外界電源供電,其輸出靈敏度高達20.4 V/(m·s~(–2)),可廣泛用于實驗室物品掉落,傾倒,人體摔倒等振動信號檢測.相關教學實驗提高了學生的科研素養,創新思維和工程實踐能力.
展開 鄭州大學橡塑模具團隊《Nano Energy》：在超臨界二氧化碳發泡（scCO2）技術制備高性能摩擦納米發電機方面取得進展
本研究開發的基于無皮層TPU發泡薄膜的摩擦納米發電機具有良好的柔性、耐磨性、優異的輸出性能、極強的性能穩定性等優點，輸出性能隨著表面泡孔尺寸的減小逐漸增大。研究還驗證了接觸分離式摩擦納米發電機中多孔結構與表面互補結構在增強發電性能中的重要作用。制備的基于TPU多孔膜和PDMS膜的納米發電機可獲得260 V的最高輸出電壓和46 μA的輸出電流。在外接3.3×106 Ω負載時，實現了4.6 W/m2的最大功率密度，可作為許多小型電子設備的電源。
圖1.超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發泡的原理圖（a）和在不同的發泡工藝條件下的發泡材料基摩擦納米發電機輸出性能（b,c）及功率密度圖（d）。
此外，制備的柔性摩擦納米發電機具備優異的摩擦電性能和自供電傳感性能。能夠為電容器充電，自發點亮LEDs，驅動計算器等小型電子器件；還能夠檢測諸如拉伸、彎曲、扭轉等變形，以及監測人行走步態的變化等。
圖2.發泡材料基摩擦納米發電機摩擦電性能和自供電傳感性能。
該研究通過超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發泡法制備了可用做摩擦發電機正電極的性能優異的TPU多孔薄膜，為批量化制備高性能TENG提供了一種綠色、高效的新方法，并為設計具有互補結構的摩擦材料，提供了新見解。該研究得到了國家自然科學基金（12072325）和國家重點研究計劃（2019YFA0706802）的資助。
展開 吉林大學李洋課題組《Nano Energy》：高強度自修復離子凝膠用于制備高機械性和環境穩定性的納米摩擦發電機
基于摩擦生電和靜電感應耦合的納米摩擦電發電機(TENG)，因其優異的發電性能、結構簡單、重量輕、便攜性等優點已被廣泛用于開發下一代電源器件。盡管，已經有研究者報道利用水凝膠，有機凝膠用于制備柔性的自修復納米摩擦發電機，然而由于溶劑的揮發問題，這些器件相比于離子凝膠制備的納米摩擦發電機環境穩定性較差，因此利用超分子化學來制備具有穩定功能的離子凝膠對于柔性電子設備應用具有重要意義。特別是具有高強度、高抗壓性能的自修復離子凝膠，對于制造下一代柔性自修復納米摩擦電發電機具有很大的吸引力。
吉林大學化學學院超分子結構與材料國家重點實驗室李洋副教授課題組長期從事自修復離子凝膠功能化研究。致力于通過超分子作用力來合成兼具自修復性能、機械性能與電學性能的離子凝膠并應用于各類柔性電子器件。近年來，該課題組在自修復離子凝膠制備電子器件方面取得了一定進展，制備了具有高機械強度與高離子電導率的自修復離子凝膠傳感器(ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 57477?57485).基于在制備自修復功能材料與離子凝膠方面的寶貴經驗，近期該課題組設計并報道了一種高拉伸強度和優異抗壓縮性能自修復離子凝膠，并用于制備具有優異環境穩定性能的摩擦電納米發電機。作者首先利用丙烯酸(AA)與二水乙酸鋅和ZnO納米粒子(ZnO NPs)在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([Emim][OAc])中的原位聚合，制備了PAA-Znx/ZnOm/ILn離子凝膠,其中x為二水乙醋酸鋅與AA的摩爾比，m為ZnO NPs與AA的質量比，n為[Emim][OAc]與AA和ZnO的質量比（圖1）。一方面聚合物網絡內羧基與Zn2+之間的可逆動態鍵賦予離子凝膠良好的室溫自修復性能;另一方面聚合物鏈與ZnO NPs之間的纏結作用大大提高了離子凝膠的機械強度。
展開 海洋能摩擦納米發電網絡的能量管理
目前，大多數的波浪能發電裝置都是基于電磁感應發電機，具有笨重、體積龐大、昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低下的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經濟的、一體化的水波能量收集方法。
摩擦納米發電機（TENG）提供了一種將機械能轉化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發電機在物理機制上的根本差異，摩擦納米發電機有望成為收集低頻機械能特別是“藍色能源”的“殺手”應用。2014年王中林院士提出“藍色能源”的思想，將成千上萬的發電單元連接成TENG網絡用來收集大范圍的波浪能。之后，內嵌金屬球的格子狀結構和球殼結構單元組成的發電網絡被研制出來，以及通過彈簧和多層結構的引入，球形發電單元的性能得到了很大的改進。但是，由于大的阻抗和不平衡的負載匹配，發電機網絡很難直接驅動電子設備或者給儲存設備充電。所以，為了打破這一瓶頸，有效的能量管理是非常有必要的，這有利于實現更有效的水波能利用。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和張弛研究員（共同通訊作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦納米發電機網絡的能量管理技術與方法，并在Advanced Functional Materials上發表了題為“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的論文，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國旭是論文的共同第一作者。在這項工作中，作者基于耦合彈簧及多層結構的球形發電單元，構建了海洋能收集的納米發電機網絡，并與能量管理模塊有效集成。
展開 基于comsol的滑動摩擦發電
基于comsol的滑動摩擦發電
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新型摩擦電納米發電機：可利用人體運動實現無線供電！
導讀
近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。
不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院、臺灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，利用了摩擦電，開發出一種輕量的、剪紙式樣裝置，采集來自人體運動的能量。
（圖片來源：美國化學會）
其中的核心技術就是：摩擦電納米發電機（TENG）。它能夠采集我們四周的機械能為電子設備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發電機，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機充電。
接下來，簡單介紹一下TENG 的發電原理：在TENG 的內部電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。
然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發電機的可行性和實用性。之后，筆者在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國三星綜合技術研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和便攜式電子設備的能耗需求。
（圖片來源：參考資料【2】）
創新
近日，美國克萊姆森大學納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標又更近了一步。
展開 
河南大學程綱Advanced Functional Materials: 摩擦納米發電機的無源高效電
摩擦納米發電機 (TENG) 作為一種全新的能源獲取方式，通過摩擦起電與靜電感應的耦合，可以將環境與人體運動產生的機械能直接轉化為電能。相比于傳統的電磁感應發電機，其在低頻機械能的收集中具有優勢，并且具有結構簡單、成本低廉的優點。目前，TENG不僅可以收集風能、振動、水滴、水流、波動的能量，也可以發展光、氣體、聲音、脈搏、溫度等自驅動傳感系統。TENG的輸出具有電壓高、電流低的特性，需要使用電源管理電路（PMC）將其電能高效存儲起來，以滿足小型電子器件的供電要求。但是，TENG的輸出阻抗大，與PMC的阻抗不匹配，是發展高效PMC所面臨的重要問題。
【成果簡介】
近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Advanced Functional Materials上發表了題為“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。報道了一種單向開關式摩擦納米發電機 (TENG-UDS)，并將其應用到電源管理電路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的負載范圍內保持輸出能量的最大化，不受負載電阻的影響。而且由于開關中雙觸頭的設計，無需整流實現了單向的電學信號輸出。在此基礎上，設計了由電感、二極管和儲能電容等簡單原件組成的無源PMC。理論計算結果表明，該無源PMC的總能量存儲效率可以達到75.8%。在對10 μF電容的實際充電測試中，總能量存儲效率可以達到48.0%。演示結果表明，利用此PMC所存儲的電能可以驅動商用電子表和高亮度的QLED器件。
展開 一種基于液-固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器及其在智能海工裝備的應用
最近，基于摩擦起電效應和靜電感應耦合的摩擦納米發電機(TENG) 用于能量收集和自驅動傳感器已經成為一種強大的技術。作為最重要的TENG類型之一，基于液-固界面的TENG可用于收集水波能量和其他應用，例如自供電pH計、濃度或壓力傳感器。研究人員提出并探索了一系列用于收集水波能量和傳感的液固界面摩擦納米發電機(LS-TENG)，可收集由液-固界面產生的靜電能。此外，還研究了類似浮標的LS-TENG和水槽式LS-TENG，以有效地收集水波能量。U形LS-TENG作為自供電多功能傳感器，其中復雜的機械運動可以轉化成壓力和電信號。因此，液-固界面摩擦納米發電機具有很大的潛力，可用作智能海工裝備的高靈敏度波浪傳感器。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林院士(通訊作者)等提出并系統地探究了一種基于液固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器，并在Nano Energy上發表了題為“A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment”的研究論文。上述波浪傳感器由銅電極、覆蓋具有微結構表面的聚四氟乙烯膜制成。作者系統地研究了傳感器基底、波高、頻率和鹽度對波浪傳感器輸出性能的影響。結果發現，輸出電壓隨波浪高度呈線性增加。電極寬度為10 mm的波浪傳感器，靈敏度為23.5 mV/mm，意味著波浪傳感器可以感知毫米范圍內的波高。此外，通過加寬電極和/或增強表面疏水性可以進一步提高靈敏度。在波浪水槽中，波浪傳感器成功地用于實時監測模擬海上平臺周圍的波浪信息。
展開 可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機作為電子皮膚用于生物力學能量采集和多功能壓力傳感
摩擦納米發電機是一種能夠實現能量富集和自供電的傳感技術，將其與電子皮膚相結合有望為下一代可穿戴電子產品、個性化醫療以及人機界面等領域帶來新的機會。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組開發了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現了生物力學能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續的“鏈式”柵欄狀交錯的導電網絡，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優異的機械穩定性。研究表明，該摩擦納米發電機能夠點亮高達170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。該成果以題為"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"發表在Advanced Materials上。
展開 河南大學Nano Energy: 基于摩擦納米發電機氣體放電的自驅動CO2氣敏傳感器
近年來，摩擦納米發電機(TENG)作為一項新能源技術，能夠從環境和人體中收集機械能并將之轉化為電能，同時可應用于各種自驅動的傳感器。TENG具有高電壓、低電流和高阻抗的特性，其高電壓容易引起氣體放電，限制了表面摩擦電荷密度的提高。合理的利用TENG高壓引起的氣體放電可以拓展TENG的應用范圍。由于常溫常壓下，每種氣體都有其獨特的放電特性，因此，可以開發出在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源的新型自驅動氣敏傳感器。
【成果簡介】
近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Nano Energy上發表了題為“The self-powered CO2 gas sensor based on gas discharge induced by triboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦納米發電機引起的氣體放電對CO2的高敏感性，發展了一種新型自驅動CO2氣敏傳感器。當CO2加入到N2中時，放電過程中產生的 CO2- 會阻礙等離子體的形成，這會增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性。基于這些現象，提出了不同類型的CO2氣體傳感模式。第一種模式是閾值濃度檢測模式，當CO2濃度達到閾值時，通過使用放電停止現象實現CO2的高靈敏度檢測?；诜烹婎l率和放電電流對CO2濃度的依賴性，提出了臺階檢測模式和連續檢測模式，可用于檢測CO2濃度低于閾值濃度的氣體濃度。以此為基礎，本篇工作開發了一種基于摩擦納米發電機引起的氣體放電的自驅動CO2氣敏傳感器。通過三種檢測模式實現了對CO2室溫下、高靈敏且不需要外部電源的檢測。河南大學碩士研究生趙珂和青年教師顧廣欽博士是本文的共同第一作者，河南大學程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。
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