成果簡介
廣泛分佈的感測網路是物聯網（IoT）、大資料和人工智慧發展最重要的元素，必須由儲能單元驅動，具有有限的壽命和環境問題。鑑於眾多感測器的分佈廣泛性和高移動性，物聯網的成功和人類社會的可持續發展需要可再生的分散式能源。由於摩擦起電效應在我們的生活環境中無處不在，因此由Wang及其合作者開發的用於機械能量收集和自供電感測的摩擦奈米發電機 (TENG) 是新時代能源的最佳選擇之一。鑑於此，王中林院士團隊在EcoMat發表了題為“Recent progress of triboelectric nanogenerators: From fundamental theory to practical applications”的綜述性文章，系統總結了TENGs從基礎理論到實際應用的最新進展。首先介紹了TENG的摩擦起電機理、第一性原理理論、工作原理、工作方式和品質因數。此外，還回顧了微納電源、有源自供電感測器、大規模藍色能源和高壓電源等四大TENG應用領域的近期重要進展。最後，討論了TENG未來發展的一些觀點和挑戰。
內容詳情
圖1 TENGs的四大應用領域：微/奈米電源、有源自供電感測器、藍色能源和高壓電源、 可穿戴電子產品
圖2 2019年7月15日前SCI資料庫中TENG領域的文獻調研
圖3 用於解釋一般情況下兩個原子之間CE和電荷轉移的重疊電子雲模型
圖4 修正後的Maxwell位移電流的樹狀圖
圖5 TENG在接觸分離模式下的工作原理示意圖
圖6 TENGs的四種基本工作模式
圖7 TENG 的品質因數
圖8 TENGs作為微/奈米電源的應用
圖9 TENGs作為自供電感測器的應用
圖10 TENGs在藍色能量收集中的應用
圖11 TENGs作為直接高壓電源的應用
結論與展望
本綜述從基礎理論到實際應用系統總結了TENGs的最新進展。首先討論了TENG的基礎知識和基本理論，主要包括摩擦起電機理、第一性原理理論、工作原理、工作方式和品質因數。然後討論了 TENG 的主要應用領域。首先，由於能夠從外部環境中獲取機械能，TENG可以用作小型、分散式和可穿戴電子裝置的微/奈米電源。透過將TENG與現有的商用感測器整合，開發了自供電系統。其次，TENG本身也可以作為一種有源自供電感測器來感知各種機械運動和攪動，這將在物聯網、人工智慧、大資料和感測器網路中具有廣泛的應用。第三，與EMG相比，TENG在低工作頻率下具有出色的輸出效率，特別適合收集水波能量。透過將許多TENG單元連線成一個網路，可以利用來自海浪的能量（藍色能量）。最後，TENG具有可控性、便攜性、安全性、成本效益和高效率等優點，可直接用作特定高壓應用的高壓電源，如質譜、電子場發射等。基於上述四大應用領域，2018年提出了TENG的路線圖，以確定關鍵研究方向併為TENG的發展提供時間表（圖 12）。
圖12 TENG 2017-2027年發展路線圖
儘管TENG在基礎理論和技術應用方面取得了很大進展，但該研究領域的未來發展仍存在一些問題有待解決。
摩擦起電基礎物理學的進一步研究。儘管在該領域取得了一些進展，但仍需更多的研究工作來探索奈米級和微米級的CE。特別是液-液介面之間的CE與探針不同，尚未進行研究。最近的工作表明，使用小尖端形狀的TENG作為探針研究液-液介面的充電行為可能是一種很有前景的方法。此外，在CE過程中，摩擦電材料表面發生的電子轉移可能會引起介面催化。探究產生的CE 電荷對介面處的氧化還原反應的影響規律是一個有趣的科學問題。
提高TENG的輸出能量。從TENG的內部結構來看，透過改性材料或建立表面微/奈米結構來提高表面電荷密度、增強接觸性、設計新型結構等各種策略有望提高TENG的輸出效能。此外，TENG的輸出能量可以透過最佳化工作環境、引入電源管理電路等外部方法來提高。此外，電荷泵和自充電激發是兩種新開發的提高TENG 輸出功率的有效機制。
提高材料和器件的耐用性。長期穩定性是TENG實際應用的關鍵問題。在執行過程中，材料磨損會導致TENG的效能嚴重下降，尤其是滑模式TENG。針對此問題，第一個解決方案是使用TENG的工作模式轉換。已經證明在機械接觸的前幾個迴圈中產生的電荷可以保持一段時間而不耗散。透過為接觸和非接觸模式之間的TENG模式轉換設計“可切換”結構，可以同時獲得高輸出效能和耐用性。第二個方案是開發具有強大機械耐久性的材料。複合材料和化學改性的研究將會對此有所幫助。
用於製造 TENGs 的材料大部分是不可降解的合成聚合物，可能會造成環境汙染。在這種情況下，開發可生物降解和可再生的材料可能是一個不錯的選擇。然而，此類材料通常摩擦電和機械效能不足。未來的戰略可以側重於探索更多的天然材料，並透過物理和化學改性改善其效能，這可能會極大地促進 TENGs 的發展，並對社會、經濟和環境的可持續發展產生重大影響。
在大規模藍色能量收集方面，雖然TENG利用水波能量的輸出效能有了很大提高，但在實際應用中還有兩個問題需要解決。首先，由於水波能量的內在不穩定性和隨機性，如何固定跨海的TENG網路對於能量收集至關重要。因此，合理設計連線TENG的網路結構對於解決這個問題起著關鍵作用。其次，由於導電海水引起的遮蔽效應，TENG在水環境中工作時的輸出效能會急劇下降。如何最小化或避免這種負面影響是藍色能量收集發展的另一個關鍵問題。未來的研究可以集中在為在海洋環境中工作的TENG網路開發先進的連線和封裝技術。
TENG的有效儲能。傳統的儲能裝置通常使用直流輸入充電。鑑於TENG的脈衝輸出特性，研究在脈衝驅動力下穿過鋰電池隔膜的離子傳輸和擴散非常重要。對於超級電容器，因為TENGs 的電流相對較低，自放電問題會嚴重降低儲存效率。未來應致力於抑制超級電容器的自放電。
作為一種自供電感測技術，TENGs可以廣泛分佈在環境的各個角落，實時採集各類機械訊號。結合人工智慧和雲計算，基於TENG的大資料分析可以發展為自供電系統的一個新分支，自動分析所收集的資料並提供科學指導。基於TENG的大資料分析，可以為環境監測、醫療保健、運動、安全等領域構建智慧感測系統。這個新分支將大大擴充套件TENG在物聯網的應用範圍。此外，在基於TENG自供電感測系統的當前研究階段，TENG的感測精度常常被忽略。隨著自供電感測領域的快速發展，TENG的感測精度在其商業化過程中至關重要，可以透過結構設計、材料改性和電源管理來提高其感測精度。此外，還可以使用訊號處理電路來提高感測精度。
文獻資訊
Jianjun Luo, Zhong Lin Wang,* Recent progress of triboelectric nanogenerators: From fundamental theory to practical applications, EcoMat. 2020;2: e12059.
原文連結：https://doi.org/10.1002/eom2.12059
