复合微能源采集器研究进展及其应用

丑修建，何 剑，范雪明，侯晓娟，耿文平，穆继亮

(中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

随着微电子技术和无线电子技术的快速发展，各种电子设备正在朝着微型化和便携式方向发展. 目前，关于电子设备能源供给，依然采用传统的供能方式，即使用化学电池作为主要的能源供给装置[1]. 化学电池因其供能持久性、环境污染以及材料资源消耗等局限性已不再适应新型技术的发展[2]. 因此，寻求一种能够克服传统供能方式不足的能源器件对于促进电子产业的发展有着重要的意义.

机械能广泛存在于人类生存环境中，通过对机械能的采集与转换可以有效解决电子设备能源供给问题. 目前，依据单一换能机理所制备的器件可分为电磁式发电机(EMG)[3-6]、压电纳米发电机(PENG)[7-10]和摩擦纳米发电机(TENG)[11-19]. 由于换能机理的不同，其所制备的纳米发电机输出性能各不相同. 在低频振动激励下，电磁式发电机能输出毫安量级的电流，但输出电压较低[20-22]. 压电纳米发电机能够输出上百伏的开路电压和近十微安的短路电流[23]，摩擦纳米发电机可输出高达数千伏的开路电压[16]以及上百微安的短路电流[18]，但二者的内阻相对较大. 对于单一换能机制器件，当俘能机构所捕获的机械能超过了换能单元的转换能力时，大部分能量将以热能、形变等形式耗散掉，所俘获的能量只有一部分可以被相应的换能单元转换为电能，导致整个器件的转换效率降低. 目前主要的解决办法是将具有两种或两种以上换能机制的换能单元集成在同一器件中，从而实现机械能的互补式复合采集，提高器件输出性能. 目前主要的复合方式有电磁-摩擦、电磁-压电、摩擦-压电以及磁电-摩擦-压电四种.

本文对国内外复合能源采集器的研究现状进行了综述，详细介绍了基于复合换能机制的器件结构、工作原理、输出特性及应用，最后对目前复合纳米发电机所亟待解决的问题进行了探讨及展望.

1 复合型纳米发电机

1.1 电磁-摩擦复合纳米发电机

电磁式发电机是一种基于法拉第电磁感应现象的发电机. 根据法拉第定律，感应电压与线圈和磁铁的相对运动速度、磁场强度以及线圈匝数有关. 摩擦纳米发电机是一种全新的能源技术. 摩擦纳米发电机是利用摩擦起电和静电感应的原理，将外界的机械能转化为电能的装置. 通过将上述两种不同的换能机制复合到一起，可以提高装置的整体输出性能. 图1 为中科院纳米所王中林等[24]所设计的一款用于脚底发电的复合型纳米发电机.

图1 可穿戴式电磁-摩擦复合发电机Fig.1 Wearable electromagnetic-triboelectrichybrid generator

该装置采用接触分离式摩擦纳米发电模式. 通过脚底周期性上下运动，带动该装置上层亚克力板做上下周期性往复运动，实现接触式外界机械能转化为电能的过程. 该能量采集器在低频和高频的环境下都有电压和电流的输出. 该装置EMG发电单元采用直径为35 mm、高度为4.5 mm 的铷铁硼(NdFeB)永磁铁和重量为6 g、匝数为5 000的线圈. TENG发电单元采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与Al接触分离摩擦模式，其中PDMS薄膜黏附于底部磁铁上，Al层黏附于顶部线圈，通过周期性接触分离，获得电能. 该器件利用人体运动过程产生的电量驱动无线计步器将数据传输到25 m以内的手机上. 图1(e)～(h)分别表示TENG与EMG的输出电压与电流. 从图中可以得知，TENG能够输出268 V的短路电压以及61 μA的短路电流. EMG输出4 V的开路电压以及3 mA的短路电流. 从图1(i)可以知道，将TENG与EMG进行复合以后对容量为47 μF 的电容充电效率要高于单个发电单元.

2017年西北工业大学Ren Xiaohu等[25]提出了一种新型的磁力驱动非接触式电磁摩擦纳米发电机. 该装置通过静电纺丝技术将Fe3O4颗粒嵌入到聚偏氟乙烯(PVDF)纤维中制备出摩擦层. 该装置EMG单元将匝数为5 000的线圈嵌入底层亚克力板，通过预制拱形聚对苯二甲酸乙二酯(PET)将内含Fe3O4颗粒的PVDF薄膜黏附在PET内侧，然后将装配好的部分密封于一个长为5.5 cm，宽为3 cm，高为2 cm的塑料盒子中. 该装置采用外置磁铁的周期性远离/接近纳米发电机，与PVDF中磁粉产生作用力实现PVDF与Al的接触/分离，并且引起穿过底部线圈磁通量发生变化而产生感应电流. 通过该结构的设计，可以避免TENG由于受到外部环境(湿度、灰尘等)的影响而对输出性能的影响(具体结构见图2).

图2 磁力驱动非接触式摩擦-电磁复合发电机Fig.2 Magnetic driven non-contact triboelectric-electromagnetic hybrid generator

在外接负载200 Ω的电阻下，EMG能够产生3.4 mW输出功率，TENG在外接负载20 MΩ的电阻下可以产生0.23 mW的输出功率. 通过对容量为 4.7 mF 的电容充电曲线可以看出，将TENG与EMG相复合可以有更好的输出效率. 在实际应用中，器件通过为储能设备充电，实现对电子产品(数码手表、温湿度计等)的持续电能供应.

自王中林院士提出“蓝色能源”[26]以来，围绕着“蓝色能源”主题涌现出许多波浪能源采集器[15,16，21]. Hengyu Guo等[21]提出了一种能够在恶劣环境下正常工作的防水摩擦-电磁复合纳米发电机. 如图3 所示，该装置采用磁力驱动非接触旋转式电磁摩擦复合机制. 该装置可以分为两部分：密封部分与空间自由旋转磁铁组部分. 其工作原理是在上部磁铁组与密封室内的磁铁组之间非接触引力的作用下间接驱动TENG部分运动. 该纳米发电机能够在1 600 r/min的转速下产生5 V的开路电压以及2.3 mA的短路电流，可以在22 s内将容量为20 mF的电容充电到1 V.

图3 用于恶劣环境中防水摩擦-电磁复合发电机Fig.3 Waterproof triboelectric-electromagnetic hybridgenerator for harsh environment

可穿戴式能源采集器一直以来都是科学家致力研究的领域. 2018年韩国云光大学J.Y. Park团队研制了一款能够佩戴在手腕的摩擦-电磁复合纳米发电机[27].

如图4 所示，器件采用3D打印技术制备内径为1.1 cm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)半圆弧管道，然后将采用ICP刻蚀得到表面粗糙的PTFE薄膜黏附在ABS管道内壁.

图4 手腕可穿戴式电磁-摩擦复合发电机Fig.4 Wearable electromagnetic-triboelectric hybrid generator for wrist

管道的外部由4个Al电极间隙缠绕，并将两组线圈串联缠绕在Al电极上. TENG单元采用单电极摩擦结构，摩擦电荷会在两个Al电极之间相互转移从而形成电能. 在磁铁球运动过程中，由于穿过线圈的磁通量不断变化，从而形成感应电动势. 当人体处于运动状态，该器件的EMG部分在外接49.2 Ω电阻时，功率密度能够达到5.14 mW/cm3. 当外接电阻为13.9 mΩ时，TENG的输出功率密度为0.22 μW/cm3. 在人体运动5 s后，器件产生的电能能够为电子手表持续供电410 s. 通过不断优化，该器件有望为自供电可穿戴智能腕带/手表或者健康检测传感器提供电能.

1.2 电磁-压电复合纳米发电机

不同于摩擦纳米发电机工作机理，压电纳米发电机是一种利用压电效应将机械能转化为电能的器件. 在外部机械的作用下，压电材料发生形变而产生的极化电荷和随时间变化的电场可以驱动电子在外电路流动，进而产生电能[28]. 目前，常用的压电材料有ZnO、锆钛酸铅(PZT), BaTiO3, PMN-PT, PVDF等. 由于压电纳米发电机主要是用压电材料与其他适合的基板组合制作的. 因此，压电纳米发电机的结构多为梁结构. 在输出性能上，压电纳米发电机类似于摩擦纳米发电机，因为它们可以输出大电压和低电流. 通过将压电与电磁发电单元组合，能够产生较高的输出功率. 西安电子科技大学的Fan Kangqi等[29]制备复合能量采集器(具体图示见图5(a)). 该器件主要由两部分组成：PENG与EMG. 其中，PENG由两根压电梁组成. 当球型磁铁在管道中运动时，与梁上半球形负载体相接触而使压电梁发生形变，进而产生电能. EMG由管道上缠绕的线圈以及磁铁球组成. 当磁铁运动时，会使穿过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势. 该复合能量采集在手摇的激励下能够点亮数十个商业LED灯.

图5 用于采集低频激励的压电-电磁复合发电机Fig.5 Piezoelectric-electromagnetic hybrid generator for acquisition of low frequency excitation

新加坡国立大学Bin Yang[30]等人对压电-电磁复合式发电机进行了研究. 器件采用PZT悬臂梁作为核心部件(具体图示见图6(a)). 当PZT悬臂梁受到外界激励会产生振动，伴随着PZT梁上下弯曲振动，器件将外界机械能转化为电能. 研究者在悬臂梁的末端放置一块圆形永磁铁，并在悬臂梁正前方放置一块由MEMS工艺制备的线圈，通过永磁铁的上下振动，为线圈提供变化的磁通量. 研究者同时研究了线圈与磁铁相对位置对输出性能的影响. 实验发现，当磁铁的磁化方向与线圈平面垂直时，线圈输出电压最大. 实验表明，在外界激励频率为310 Hz、加速度为2.5 g时，PZT悬臂梁输出0.84 V电压和176 μW的功率，电磁输出0.78 mV电压和0.19 μW的功率. 在类型Ⅲ的情况下，压电与电磁输出功率密度分别为790 μW/cm3和0.85 μW/cm3.

马六甲马来西亚技术大学曾报道了一种基于压电-电磁复合发电机[31]. 该器件与上述新加坡国立大学Bin Yang所研制的发电机类似，同样采用压电悬臂梁结构. 将四块永磁铁分为两组分别加在悬臂梁自由末端，通过亚克力板将匝数为1 200的线圈固定在两组磁铁片间. 当悬臂梁发生运动时，压电材料与线圈就会产生相应的电能. 实验表明，当外界激励为15 Hz，压电材料在外电路负载为60 kΩ能输出2.3 mW的最优功率，而电磁发电机在负载为40 Ω时输出3.5 mW的最优功率.

图6 基于压电陶瓷制备压电-电磁复合发电机Fig.6 Fabrication of piezoelectric-electromagnetic hybrid generator based on piezoelectric ceramics

图7 悬臂梁式压电-电磁复合发电机Fig.7 Cantilever piezoelectric-electromagnetic hybrid generator

1.3 摩擦-压电复合纳米发电机

为了提升收集机械能的效率，研究人员研究了一系列同时利用摩擦效应与压电效应来收集机械能的器件. 这种复合器件同时需要压电材料与摩擦材料以及相应的金属电极，从而会增加了器件的复杂程度.

2013年，北京大学张海霞课题组以PVDF、聚四氟乙烯(PTFE)分别作为压电材料与摩擦材料制备了摩擦-压电复合发电机[32]. 从图8(a) 可以看出，该器件的压电部分由PVDF以及黏附于其两侧的Al电极组成. 摩擦部分是由表面具有金字塔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜与上层Al电极所构成. 当上层PVDF受到外界机械挤压后，PVDF自身由于发生形变而产生压电电势，同时由于黏附于PVDF表面的铝电极与下层PMDS表面发生接触分离摩擦而产生摩擦电势，通过外部电路将两种电势导出形成电流而驱动载荷工作.

图8 r型摩擦-压电纳米发电机Fig.8 r-type triboelectric-piezoelectric nano-generator

2015年，韩国科学技术研究所(KIST)报道了一种将压电与摩擦复合到一起的能源采集器[33]. 该器件压电部分采用PVDF，摩擦部分采用PTFE与Au. 器件在0.2 N的手指敲击力度下能够输出大约12 μA/cm2的电流密度与4.44 mW/cm2的功率. 实验表明，该器件在持续敲击下，能够点亮550盏商用LED灯.

2017年，台湾国立中央大学Chun-Yu Chen团队报道了一款能够收集人体运动机械能的器件[34]. 该器件采用摩擦-压电复合机理. 3D打印制备柔性中空结构，在中空结构中间制备一对卷起的压电柔体管. 通过粘合剂将PVB-base PENG置于中空结构，通过周期性挤压，两组PENG产生形变而形成压电电能. 在中空结构的底部黏附一层Cu以及底层放置一层PTFE. 当中空结构发生形变时，Cu层与PTFE发生周期性接触分离，从而形成TENG. 通过将PENG与TENG复合，器件能够产生100 V的输出电压，4 μA的电流和450 nW的峰值功率. 该器件还能识别人体运动状态，如图10 所示，随着腿部不同的运动姿态，器件会有不同的输出，从而实现运动态势的识别.

图10 用于人体运动监测的压电-摩擦复合自供电传感器Fig.10 Piezoelectric-triboeletric hybrid self-powered sensor for human motion monitoring

图11 可拉伸透明复合纳米发电机Fig.11 Stretchable transparent hybrid nanogenerator

目前，随着压电纳米发电机的发展，其中柔性纳米发电机更适合于收集人体运动所产生的机械能[35]. 结合摩擦纳米发电机，可穿戴式压电-摩擦复合纳米发电机在自供电传感健康监系统以及对移动设备电能供给方面具有巨大潜力. 2017年，南洋理工大学Chen Xiaoliang等研制了一种透明、可伸缩摩擦-压电复合纳米发电机[36]. 器件采用AgNW作为可拉伸电极，将BaTiO3颗粒混入PDMS种，并以此作为压电层. 通过单电极TENG与PENG复合在一起，器件不仅可以在接触分离的过程中产生电能，而且还可以作为压力传感器. 通过周期性接触与分离，器件能够输出105 V的输出电压，以及6.5 μA/cm2的电流密度与102 μW/cm2的功率密度. 鉴于器件优良的输出特性以及高灵敏度，有望在柔性、可穿戴电子领域，特别是健康监测医疗器械领域，有新的应用前景.

1.4 摩擦-压电-电磁复合纳米发电机

复合型发电机主要是将多种换能单元集合到一起，在同一时间从同一激励源获得能量. 在不影响单一换能单元正常工作的前提下，尽可能多地集合多种换能单元能够提高能量的转换效率.

图12 基于磁悬浮结构的压电-摩擦-电磁复合纳米发电机Fig.12 Piezoelectric-triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator based on maglev structure

2017年，中北大学研制了一种将摩擦、压电、电磁三种换能机制集合于一体的复合纳米发电机[37]. 该器件以磁悬浮结构为核心部件，具有结构简单、感应灵敏、输出功率高的优点. 外界振动激励频率为20 Hz时，EMG、TENG、PENG分别输出36 mW, 78.4 μW, 122 mW的功率. 将各个换能单元通过图12(b)中整流电路后，能 4 min之内将容量为1 000 μF的电容充电到8 V. 研究者将该器件集成到一个无线传感网络系统中，在相应的外界激励下，器件可以驱动无线传感器系统，将系统采集到的温度和振动信号传输到控制计算机，在矿山监测、海洋防卫、智能制造等领域具有极大应用潜力.

2018年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林团队报道了一种基于悬臂梁制备的摩擦-压电-电磁复合纳米发电机[38]. 如图13(a) 所示，该器件由预制聚乳酸(PLA)弧形壳体与PET悬臂梁组成. PLA弧形壳体底面黏附PTFE层作为摩擦发电的负性材料，线圈置于顶部末端. PET悬臂梁顶部由Al层包覆，底部黏附层PVDF，末端中间放置一个圆形磁铁. 当器件受到外界激励时，中间悬臂梁产生弯曲振动，与PLA产生周期性的接触分离，从而产生摩擦电动势. 在PET做周期性弯曲振动时，位于其顶部的PVDF也随着产生弯曲，形成压电电动势. 位于PET中间的圆形磁铁随着PET做周期性上下弯曲振动，使得穿过PLA上的线圈磁通量发生改变而形成感应电动势. 该器件在外界振动频率为23 Hz时，EMG、TENG、PENG、Hybrid NG可以在相应的匹配电阻下输出0.8, 0.15, 0.25, 1.2 mA 的电流. 该器件通过电源管理电路，实现持续性直流输出，可以为射频无线磁压监测系统和其他常规电子器件提供足够的直流电源.

图13 悬臂梁式摩擦-电磁-压电复合纳米发电机Fig.13 Cantilever triboelectric-electromagnetic-piezoelectric hybrid nanogenerator

基于振动运动的能量采集器通常受其输出性能与工作带宽的限制，提升机械能转化效率与增加能量采集器工作带宽逐渐成为两个迫切的研究热点. 2017年，重庆大学报道了一种低频压电-摩擦-电磁复合的能量采集器[39]. 该器件包括一个带有四个L形的拾振结构和两个由PET制备的拾振结构. 结构I由PVDF薄膜和NdFeB永磁铁组成，结构II由PDMS组成. 当器件收到外部激励时，结构I和II会发生振动，因此会产生相应的压电、摩擦、电磁信号. 当外界激励频率为20 Hz、加速度0.5 g时，PENG能输出41.0 μW的最大功率(负载电阻为800.1 kΩ)，EMG可以输出66.5 μW 的功率(负载电阻为343.1 Ω)，TENG可以输出4.6 μW的功率(负载电阻为1.4 mΩ).

图14 用于采集低频振动的压电-摩擦-电磁复合纳米发电机Fig.14 Piezoelectric-triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for low frequency vibration acquisition

2 总结与展望

随着电子设备的功耗逐步降低，从我们周边环境获得机械能能够有效解决电子设备的供电问题. 本文概述了四种复合型纳米发电机领域的最新进展. 复合型纳米发电机致力于从环境中最大限度收集废弃的机械能，通过摩擦、压电、电磁之间的相互复合，使得各个换能单元能够同时工作，实现对周边环境能量的最大化采集. 近期所报道的复合型纳米发电机不仅能够用于点亮商业用LED灯，还可以通过外接电路为负载系统以及一些低功耗生活电子产品提供持续电能. 尽管如此，复合型纳米发电机仍面临一些亟需解决的问题.

1) 材料自身局限. 现有压电和摩擦材料由于内阻较大，导致输出电压大、电流小. 因此，未来应着眼于降低材料内阻，提升各项输出指标.

2) 能源管理电路优化. 目前，对于不同换能机制的复合主要体现在换能单元结构布局上的复合，即通过对不同能量采集单元安放位置的合理布局，提高系统采集效率. 而对复合型能源管理电路的研究甚少，由于不同能量采集单元具有不同的系统内阻和响应特性，单一策略的能源管理模式或管理芯片并不适用.

3) 电路低功耗技术. 尽管复合方式能在一定程度上提高采集效率，但其能量尺度仍属微能源范畴，尽量降低后端管理电路功耗是本领域长期不变的追求目标.

目前，由于换能材料、管理电路、能量存储等方面的限制，纳米发电机的带载能力还只能为一些低功耗电子产品供能，不能取代传统的电池供电方式，距离大规模应用还有很长距离. 但是，相信在未来，随着对微能源技术研究的不断深入，微能源技术成果必将在物联网、柔性监测、可穿戴电子等领域发挥重要作用.