摩擦纳米发电机工作原理

摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

摩擦纳米发电机工作原理

摩擦纳米发电机工作的基本原理是：电极接触时，电负性相差很大的两层薄膜摩擦，分开时分别携带相反的电荷，形成电势差:这两个材料的背电极通过负载连接，电势差将使得电子在两个电极之间流动，以平衡薄膜间的静电电势差。一旦两个接触面再次重合，摩擦电荷产生的电势差消失，从而使电子反向流动。这样不断的接触和分离，摩擦发电机的输出端将输出交变的电流脉冲信号，从而对外输出电能。

技术进展

2014年3月18日，科研人员展示声波传感装置。只要人对着手中的设备说话，薄膜在声波的作用下受迫振动，与金属电极摩擦，产生感应电荷，输出电学信号。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林院士领衔的团队成功研发摩擦发电新能源技术。摩擦发电技术，能为未来能源发展带来了新的供给模式

王中林在2012年1月成功研发世界首台摩擦发电机。并发明了一种摩擦发电机，可以将握手、走路、潮汐等摩擦和静电产生的电能收集和利用起来，相关文章已经发表在3月5日的《自然·通讯》上。

两年来，他带领团队实现对小型电器的实时供电，降低了成本，让产业化成为可能。这种摩擦发电机的动力源既可以是风力、水力、海浪等，也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等环境随机能源，甚至可以是车轮的转动、机器的轰鸣等垃圾能源，哪怕说话也行。“或许不久的将来，你只要正常走路，附着在你衣服上或安在你鞋里的摩擦发电机就能随时为你随身携带的手机充电。”王中林说。

一个4厘米见方的薄膜材料，通过导线与LED灯相连。只要用手捏一下这个薄膜材料，LED灯就会亮起。

这种用高分子透明薄膜材料做成的器件就是一种发电机，或称摩擦电发电机。纳米能源所首席科学家王中林院士告诉记者，摩擦电发电机主要由有机材料和常见金属构成，其用量极少。摩擦电发电机利用的是摩擦起电和静电感应效应的耦合，同时配合薄层式电极的设计，实现电流的有效输出，输出功率最高可达500瓦/平方米。”

研究方法

光滑的表面在相互摩擦时能产生电荷，但这些电荷的数量并不能满足应用的需要。王中林和他的团队通过改变摩擦表面图案的方式来产生更大的电流。研究人员分别对线条、立方体和金字塔三种图案进行了测试，结果发现金字塔图案的表面在摩擦时加速了电荷的形成，更利于电荷的分离，能产生最多的电流，极大地提高摩擦电发电机的效率

为了制造这种微型摩擦电发电机，研究人员首先借助光刻和蚀刻工艺，用硅片制造出一个模具；而后将液体的PDMS和一种交联剂混合在一起后涂抹到模具上，等待冷却后就形成了一张薄膜；最后再将两种独有金属电极的高分子聚合物薄膜铟锡氧化物（ITO）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜贴合在一起，形成三明治结构。实验证实这种具有微结构阵列的摩擦电发电机的输出电压可达18伏，每平方厘米可产生0.13微安的电流，峰值电流可达0.7微安。

应用前景

这种摩擦电发电机采用透明的柔性材料制造，未来它将有望取代普遍使用的触摸显示装置。此外，该摩擦电发电机还可以用作高灵敏度压力传感器。研究人员称，这种压力传感器非常敏感，即便是落下的水滴或是飘落的羽毛这样的微小压力也会被准确地“感觉”到，该装置有望在有机电子材料和光电系统中获得应用。

在纳米能源所，王中林团队已开发出旋转式直流摩擦发电机、刹车发电模拟装置、自驱动无线触摸报警器、柔性透明摩擦发电机、碟式宽频摩擦发电机、脚踏式摩擦发电机、潮汐能收集装置等摩擦发电装置。

摩擦电发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

将来只要正常走路，安在鞋里的摩擦电发电机就能随时为你自己随身携带的手机充电。与工业大规模发电不同，摩擦电发电机可以让运动着的每个人都“发电”，可以让司空见惯的摩擦、挤压、坠落等现象都变成发电的动力源。未来，汽车刹车就能发电充电；如果把摩擦电发电机铺在马路上，每一辆驶过的汽车都能参与发电过程。