InfoMat: 柔性纳米发电机在自供电系统方面的最新进展

随着能源危机、全球变暖和环境污染等问题的日益严重,必须探索可再生能源以满足人类不断增长的需求和维持社会的可持续发展。包括太阳能、风能和生物质能在内的绿色能源已经逐步替代传统化石燃料。机械能是环境中广泛存在的另一种能量形式,比如水流、风、振动和人体运动。虽然这些机械能资源丰富、清洁和可持续的,但通常浪费在我们日常生活中。自2006年以来,基于氧化锌纳米线的纳米发电机的出现已经证明机械能可以有效地转化为电能。这引起了研究人员的极大关注,从那时起便开发了各种纳米发电机,大致分为两类,分别是压电纳米发电机 (PENG) 和摩擦电纳米发电机 (TENG)(图一)。这两种发电机的工作原理分别基于压电效应和摩擦电效应。混合纳米发电机 (HBNG) 主要指具有这两种和/或其他效应(例如热电、磁电)组合的纳米发电机。现如今,便携式和可穿戴式的电子产品的兴起引发了人们对柔性电源的巨大需求。其中,传统电池显示出使用寿命、一次性使用和安全的局限性。基于此,香港城市大学生物医疗工程学系的于欣格和香港中文大学机械与自动化工程学系的訾云龙团队合作,着重于柔性机械能收集器的最新发展展开综述,包括三个方面,即基本的运行机制,材料和结构设计及应用。此外,混合纳米发电机近来的应用也被重点介绍。为了区别于先前发表的有关柔性纳米发电机的综述文章,本文主要介绍了最近五年的进展。

对于压电纳米发电机,目前最广泛应用的压电材料是无机压电材料,其中最有代表性的是一种易碎和坚硬的钛酸鋯酸铅 (PZT)。为了提供材料的柔韧性和可拉伸性,这些压电材料已经被开发成薄膜、纳米线、纳米颗粒和纳米纤维形态。对于摩擦电纳米发电机,由于其自身优势,例如材料选择范围广、结构设计简单、成本效益高和产量高,因此摩擦电纳米发电机在柔性电源和自供电环境传感器的应用中有了深入的研究。研究工作人员已经探索出了许多先进材料,包括石墨烯、水凝胶、气凝胶和黑磷等。

总而言之,我们从柔性压电和摩擦电纳米发电机的基本工作原理、材料、结构设计和应用方面系统地总结了其最新进展。此外,还综述了混合纳米发电机的最新发展。尽管如此,仍然有需要潜在的问题和制约因素需要解决,其中包括新材料的开发以及对电荷转移机理的基本理解,从而最大程度地提高能量转换效率。最后,将柔性电子设备完全集成以实现自供电系统依赖于高效的电源管理系统及储能设备。

相关工作在线发表在InfoMat上(DOI: 10.1002/inf2.12079)。