走路即可供电，摩擦纳米发电机研究突破或带动新时代能源变革随着通讯、互联网等技术的发

随着通讯、互联网等技术的发展，物联网应运而生，传感器和微型器件得到了大规模应用，如何给这些微小器件充电，成为了一个难题。
2006年，中科院王中林院士发明了纳米发电机，提出了自驱动系统的概念。 2012年，王中林院士发明了将微小的机械能转换为电能的摩擦纳米发电机（TENG ，以下用此简称），将纳米能源定义为“新时代的能源” ，并将长远目标定为将海浪的能量收集起来，实现人类梦寐以求的“蓝色能源” 。由此，在公元前6世纪被人类首次记录的摩擦起电现象，在2000多年后被逐渐重视、利用了起来。
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士与王杰研究员领导的科研团队在TENG研究中又取得了新进展。络绎科学有幸邀请到了王杰，为我们分享自TENG发明以来遇到的一些研究难题、解决方案以及最新研究成果。
一、TENG的优势与基本模式
传统的电能是通过电厂给一个有序的、大的应用场景供电，如果是分布式小电源，比如日常用到的手机、智能手表等，可以通过定期充电保证运转。但在物联网时代，有海量的传感器，在森林、海洋等地方，投放出去后一方面很难再找到，另一方面电池寿命有限，很难长久使用下去。针对这一问题，王中林院士想到了从环境中直接获取能源对电子器件供电，而TENG就是针对这样的需求而产生。
（一）TENG的优势
TENG与电子发电机最大的不同是，电子发电机是利用磁场变化进行发电的，而TENG是基于位移电流发电的（随时间变化的电场而产生的感应电流，以及介质极化所引起的静电荷微小位移所产生的电流）。从物理效应来看，它是基于两种材料的接触摩擦，产生静电感应并对外输出电流。从理论上来看，王中林院士基于麦克斯韦方程组推导出TENG的基本输运方程。

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图丨摩擦纳米发电的方程式（来源：王杰，络绎知图整理）
TENG的功率和频率是一次方关系，而传统发电机是二次方关系。相对于传统发电机， TENG作为新的发电器件，具有高电压低电流、在低频下具有高效率的特点。
（二）TENG的基本模式
自2012年第一款TENG发明以来，王中林院士及其团队共研究出四种基本模式，分别是垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立摩擦介质层，用来收集广泛存在于自然界中的人体运动的机械能、波浪能、声音和风能等能量。

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图丨TENG的四种基本模式（来源：王杰，络绎知图整理）
二、TENG的性能评价指标
作为一个新的发电器件，没有一个统一的标准来评价基于多种模式多种结构的TENG的性能，那应以什么标准来评价其性能？
TENG具有高电压低电流的特性，它的电流输出与运动的特性有极大关系，它的开路电压很高，但很难测准，所以这两个参数都不太适合做评价指标。王中林团队提出将表面电荷密度的平方作为材料品质因数，进而作为TENG的性能评价标准。

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图丨TENG的结构品质因数（来源：王杰，络绎知图整理）

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图丨与固体镓或镓铟锡合金接触的不同材料所测量的绝对电荷密度（来源：王杰，络绎知图整理）
表面电荷密度不仅可以决定它的电流、电压，也可以决定它的功率。表面电荷密度与运动的频率无关，也就是说和测试方式无关，因此表面电荷密度是一个非常适合用来做表征的参数。（在评价TENG在功率或能量方面的改进效果时，直接以此作为评价。）