無論是手機還是筆記本電腦，這些便攜式電子設備都已成為人們生活的必備工具。這些物品的快速發展，得益于可再生和環保的電池為這些設備供電。隨著運動手環等更加輕巧的可穿戴設備的風靡，為它們持續提供高效、清潔和可持續的電能是亟需解決的難題。
近日，浙江大學海洋學院海洋電子與智能系統研究所朱智源博士研究小組，研發了一種新型的X型高效摩擦納米發電機，具有結構簡單、體積小、成本低、以及可收集人體運動能等諸多特點。這項研究發表在著名期刊《Nano Energy》上。
論文第一作者為浙江大學海洋學院2017級船舶與海洋工程專業碩士研究生夏克泉，通訊作者為青年教師朱智源博士，共同作者包括2014級海洋工程與技術專業本科生杜超林與2014級船舶與海洋工程專業本科生王容基。
用筆畫出一個發電機
在該研究工作中，研究人員提出了一種新穎的紙基摩擦納米發電機（XP-TENG），并可通過商業畫筆將簽字筆油墨勾勒在紙上形成電極。
先取兩張尺寸為3cm×9cm的紙片，在紙片的一側切割出兩條平行的縫隙用以嵌合器件。接著用畫筆將簽字筆墨均勻的涂抹在紙片的表面，然后放置2分鐘使得油墨在紙的表面固化形成電極，取其中一張紙片，在電極表面貼上特氟龍膠帶，然后將其中一張紙片折成“π”形狀，另外一張折成“倒π”形狀。最后兩個器件通過縫隙嵌合到一起，便形成了X形狀的紙基發電機。
這之前，摩擦納米發電機（TENG）作為一種智能綠色器件已經被科學家所研發。“摩擦納米發電機最具吸引力的特征是能把各種機械運動轉換為電能，如人行走，人眼運動和車輛運動等。”遺憾的是，摩擦納米發電機多數加工方法成本過高、工藝復雜，很難實現大規模的生產。
到2013年，王中林院士課題組創新性的提出了一種紙基TENG，大大降低了制作成本；2017年，張曉升教授等用鉛筆在紙上繪出導電石墨層作為TENG的導電電極，進一步簡化了制作工藝，推動了紙基柔性能源器件的發展。
朱智源表示，當紙基材被彎曲和導電電極表面被劃傷時，簽字筆油墨層的表面電阻比鉛筆繪制的石墨層的薄層電阻更穩定。這種優異的性能表明，與鉛筆石墨層相比，油墨層具有更長的使用壽命，更適合復雜的使用環境。
X形狀的妙用
前的研究報道了多種結構，包括拱形結構，V形結構和菱形結構。然而，以往的結構大多只具有單一的工作模式，因此限制了TENG的實際應用并且使器件效率下降。因此，在這項工作中，研究人員提出了一種新穎的采用了切紙和折紙的組合式架構的X形狀紙基摩擦納米發電機。
種新的形狀本身帶有6對摩擦電極，進而將6個摩擦副集成到到一個X形狀紙基摩擦納米發電機。這一特殊的結構可提供兩種工作模式，拓展了摩擦納米發電機的應用范圍。
一種模式，基于常規的接觸-分離模型。采取多個堆疊結構的X形狀紙基摩擦納米發電機，可以進一步提升堆疊結構的電流輸出性能。科研人員通過實驗發現，在手按壓下具備四個工作單元的堆疊X形狀紙基摩擦納米發電機，產生的輸出能夠直接點亮工作電壓為3.4V的101個串聯高功率藍光LED。“當然為了防止電流相互抵消，我們還會在結構中采用多個全波橋獨立連接的優化手段，使得電流朝著一個方向運動。”
二種模式，可以有效地從人體運動中收集機械能。比如收集人肘運動機械能，或者將X形狀紙基摩擦納米發電機放在書包中，收集人走路時產生的振動機械能等。
研人員介紹，X形狀紙基摩擦納米發電機能夠適應濕度環境，具有在海洋環境下工作的潛力，在船舶電子系統供能方面有潛在應用。“未來，潛水員的探照燈或許可以通過人體自身的運動機械能發亮，同時這種發電原理或許還可以運用到救生中。”朱智源說。
介紹，該研究小組隸屬于浙江大學海洋電子與智能系統研究所，重點關注以信息科學與海洋物理為學科交叉的基礎研究，包括海洋信息電子以及新能源新材料新器件。此次利用簡易的商用材料制備了結構簡單、體積小、重量輕、低成本、作用速度快的供能器件，在摩擦納米發電機研究上取得突破，為用于海洋的自主便攜電子系統持續供能提供了新的思路。
這個發電設備，每平方厘米，最高可以發電1毫瓦。這樣，3cm乘以3cm的設備，可以發電10毫瓦，這已經可以勉強支撐我們藍牙設備連接時候的用電了。
接下來，科學家們研究的方向，將側重于發電裝置的持續穩定供電，這樣可以讓這個設備盡快投入實際使用中去。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518304142
