基于摩擦起电和静电感应引发的能源革命

　　预期比肩法拉第电磁感应发电机的巨大应用前景

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　　中科院文献情报中心与Clarivate Analytics公司（原汤森路透知识产权与科技事业部）联合举办的2016研究前沿发布暨研讨会于2016年10月31日在北京举行，会上向全球发布了《2016研究前沿》报告。在化学与材料科学领域，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士发明的摩擦纳米发电机位列Top10热点前沿第三位。

　　人们的生活环境和工业生产中存在大量可以利用的机械能，自1831年迈克尔？法拉第发现电磁感应现象后，电磁感应发电机成为了最重要、最广泛的发电方式，至今还没有其他发电方式可与之比肩。

　　随着可移动电子设备的数量激增，关于能源存储的研发显得更加重要，而目前的技术大多由电池实现。世界上有超过30亿人拥有移动电话。如果全球都安装了传感器网络，数目巨大的传感器会遍布世界各个角落；而用电池来驱动这种数目惊人的传感器是不大可能的。在这种情况下，一个可能的替代方案就是收集传感器所在环境中的能量。这是一个新的领域，纳米能源，即为微纳系统提供持久的、不需维护的、自驱动的能源。纳米能源的基本性能指标包括可用性、转换效率和稳定性。当器件处在光照环境下，使用太阳能电池是一个自然的选择。而当器件靠近一个发动机却处在黑暗中，收集机械振动的能量是最佳的选择。对于生物应用，收集肌肉拉伸中的形变能也是一个不错的方式。

　　纳米能源，作为一个全新的研究领域，是指利用新技术和微纳米材料来高效收集和储存环境中的能量，实现微纳系统的可持续运转。在过去的十年里，王中林及其团队研发了纳米发电机，并用其来构建自驱动系统和主动式传感器。他们巧妙地主要利用了两种物理效应来收集小型机械能：压电效应和摩擦起电效应。前些年，关于压电纳米发电机已在《压电电子学与压电光电子学》等专著中详细介绍；而《摩擦纳米发电机》将对该发电机进行系统的描述，从其理论到实验、从基本操作模式到技术应用、从单个器件到系统集成、从一种新能源技术到自驱动传感器。本书是首部系统全面的介绍摩擦纳米发电机的四种工作模式，相应的理论模型和计算，器件设计，以及它们在回收人体活动，震动，机械触发，轮胎转动，风、雨、水流等自然界所具有的动能中的广泛应用的著作。该书也系统介绍了摩擦纳米发电机在移动/穿戴/柔式电子产品、生物医学器件、传感网络、物联网、环境保护和传感、基础设施检查方面的应用实例。

　　重要的是，王中林最近发现麦克斯韦位移电流第二分量是纳米发电机的理论根基，系统总结于本书全球首发。纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用，有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

　　摩擦纳米发电机(TENG)由王中林及其团队于2012年首先发明，其目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点。它既用不着磁铁也不用线圈，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。摩擦纳米发电机的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。重要的是，和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下（< 5～10Hz）的高效能是同类技术无法比拟的。TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。这种机械传感器在触屏和电子皮肤等领域具有潜在应用。另外，如果把多个TENG 单元集成到网络结构中，它可以用来收集海洋中的水能，可以为大尺度的“蓝色能源”提供一种全新的技术方案，这有可能为整个世界的能源可持续发展作出重大贡献。

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