克萊姆森（Clemson）大學(xué)納米材料研究所（CNI）的科學(xué)家和學(xué)生研究團(tuán)隊最近開發(fā)出了一種無線充電技術(shù)，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電場，為3米范圍內(nèi)的電池或電容器充電。

最近在《先進(jìn)能源材料》上發(fā)表的一篇文章《A Wireless Triboelectric Nanogenerator（一種無線摩擦納米發(fā)電機(jī)）》揭示了一種利用摩擦生電效應(yīng)的器件——摩擦生電是指一種材料在摩擦接觸另一種不同材料時變得帶電的現(xiàn)象。

當(dāng)受到持續(xù)的機(jī)械運動（如手指敲擊）激勵時，這種無線摩擦納米發(fā)電機(jī)（W-TENG）就可以產(chǎn)生高達(dá)2,000V的輸出電壓，峰值功率達(dá)到70mW，這足夠為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中的大多數(shù)無線傳感器節(jié)點供電了。

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的演進(jìn)

摩擦生電并不是什么新鮮事——我們在日常生活中都會經(jīng)歷到某種形式的摩擦生電，比如梳頭發(fā)會產(chǎn)生靜電，在地毯上摩擦鞋子，甚至在頭上摩擦氣球也會產(chǎn)生靜電。這種現(xiàn)象早在18世紀(jì)就有文獻(xiàn)記載——瑞典物理學(xué)家約翰·卡爾·維爾克（Johan Carl Wilcke）在1757年發(fā)表了第一篇關(guān)于摩擦生電的論文。然而直到最近，業(yè)界才開始進(jìn)行大量研究，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中利用TENG來實現(xiàn)能量采集。

這項技術(shù)有可能采集環(huán)境中耗用的免費能量——例如人們行走時的振動、手壓和機(jī)械振動等——并將其轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的微型電源，為不斷激增的數(shù)百萬計的傳感器節(jié)點供電。功耗和電池壽命是無線傳感器節(jié)點大量部署的主要難題。這就是LPWAN技術(shù)如此受歡迎的原因——它具有長達(dá)10年的電池壽命，而且能夠遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。但是，若能夠在其使用壽命期間始終持續(xù)保持電池充電，那就更加理想，因為這樣就可以大大降低電池充電和更換的成本。能量采集對于傳感和傳輸設(shè)備不能離線的應(yīng)用場合特別有用，例如在醫(yī)療體域網(wǎng)（MBAN）應(yīng)用中，需要對心臟監(jiān)護(hù)室（CCU）的患者進(jìn)行無線心臟監(jiān)測。

無線摩擦納米發(fā)電機(jī)（W-TENG）

W-TENG可以對本地儲能設(shè)備進(jìn)行無線充電，甚至直接進(jìn)行簡單的電能傳輸，這將具有更廣泛的應(yīng)用前景。該大學(xué)發(fā)布的一個視頻（詳見本刊網(wǎng)站）展示了一名學(xué)生研究人員通過敲擊W-TENG器件，可以為智能鏡子遠(yuǎn)程供電。

“它不僅可以提供電能，還可以將電場作為啟動遙控器使用，”從事這項研究的博士生Sai Sunil Mallineni說道， “例如，你可以敲擊W-TENG，將其電場用作打開車庫門的‘按鈕’，或者可以啟動一個安全系統(tǒng)，這些全部無需電池，都是無源和無線的。”

W-TENG基于CNI的超簡單摩擦納米發(fā)電機(jī)（U-TENG）——它由涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和Kapton電極構(gòu)成，這些材料都可以從市場上購買到。W-TENG的底部電極不是由塑料構(gòu)成，而是由石墨烯和聚乳酸（PLA）的碳復(fù)合材料構(gòu)成——PLA是一種可在玉米淀粉和甘蔗中發(fā)現(xiàn)的可生物降解的聚合物。3D印刷電極上覆蓋了一層特氟龍，用來產(chǎn)生摩擦生電效應(yīng)。

“我們使用特氟龍是因為它有很多高度負(fù)電的氟基團(tuán)，而石墨烯PLA具有很高的正電性，” Podila說， “這是一種并列和創(chuàng)造高電壓的好方法。” 電荷在連接的銅帶上積聚的程度足夠大，就能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場。

TENG有一個明顯的缺點：對于標(biāo)稱功率，伴隨著高輸出電壓的是低輸出電流。通過縮小器件尺寸并將多個器件封裝在一起來在輸出端降低電壓并提高輸出電流，這樣有可能解決這一問題。當(dāng)然，電源管理電路對于為電池或電容器充電是必需的。盡管如此，該技術(shù)仍將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中各種能量采集技術(shù)——例如熱電發(fā)電機(jī)（TEG）、壓電材料，以及光伏電池等的強(qiáng)有力補(bǔ)充。