復(fù)合微能源采集器研究進(jìn)展及其應(yīng)用

丑修建，何 劍，范雪明，侯曉娟，耿文平，穆繼亮

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

隨著微電子技術(shù)和無(wú)線電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種電子設(shè)備正在朝著微型化和便攜式方向發(fā)展. 目前，關(guān)于電子設(shè)備能源供給，依然采用傳統(tǒng)的供能方式，即使用化學(xué)電池作為主要的能源供給裝置[1]. 化學(xué)電池因其供能持久性、環(huán)境污染以及材料資源消耗等局限性已不再適應(yīng)新型技術(shù)的發(fā)展[2]. 因此，尋求一種能夠克服傳統(tǒng)供能方式不足的能源器件對(duì)于促進(jìn)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義.

機(jī)械能廣泛存在于人類生存環(huán)境中，通過(guò)對(duì)機(jī)械能的采集與轉(zhuǎn)換可以有效解決電子設(shè)備能源供給問題. 目前，依據(jù)單一換能機(jī)理所制備的器件可分為電磁式發(fā)電機(jī)(EMG)[3-6]、壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)[7-10]和摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)[11-19]. 由于換能機(jī)理的不同，其所制備的納米發(fā)電機(jī)輸出性能各不相同. 在低頻振動(dòng)激勵(lì)下，電磁式發(fā)電機(jī)能輸出毫安量級(jí)的電流，但輸出電壓較低[20-22]. 壓電納米發(fā)電機(jī)能夠輸出上百伏的開路電壓和近十微安的短路電流[23]，摩擦納米發(fā)電機(jī)可輸出高達(dá)數(shù)千伏的開路電壓[16]以及上百微安的短路電流[18]，但二者的內(nèi)阻相對(duì)較大. 對(duì)于單一換能機(jī)制器件，當(dāng)俘能機(jī)構(gòu)所捕獲的機(jī)械能超過(guò)了換能單元的轉(zhuǎn)換能力時(shí)，大部分能量將以熱能、形變等形式耗散掉，所俘獲的能量只有一部分可以被相應(yīng)的換能單元轉(zhuǎn)換為電能，導(dǎo)致整個(gè)器件的轉(zhuǎn)換效率降低. 目前主要的解決辦法是將具有兩種或兩種以上換能機(jī)制的換能單元集成在同一器件中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的互補(bǔ)式復(fù)合采集，提高器件輸出性能. 目前主要的復(fù)合方式有電磁-摩擦、電磁-壓電、摩擦-壓電以及磁電-摩擦-壓電四種.

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外復(fù)合能源采集器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了基于復(fù)合換能機(jī)制的器件結(jié)構(gòu)、工作原理、輸出特性及應(yīng)用，最后對(duì)目前復(fù)合納米發(fā)電機(jī)所亟待解決的問題進(jìn)行了探討及展望.

1 復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)

1.1 電磁-摩擦復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

電磁式發(fā)電機(jī)是一種基于法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)電機(jī). 根據(jù)法拉第定律，感應(yīng)電壓與線圈和磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及線圈匝數(shù)有關(guān). 摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種全新的能源技術(shù). 摩擦納米發(fā)電機(jī)是利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的原理，將外界的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置. 通過(guò)將上述兩種不同的換能機(jī)制復(fù)合到一起，可以提高裝置的整體輸出性能. 圖1 為中科院納米所王中林等[24]所設(shè)計(jì)的一款用于腳底發(fā)電的復(fù)合型納米發(fā)電機(jī).

圖1 可穿戴式電磁-摩擦復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.1 Wearable electromagnetic-triboelectrichybrid generator

該裝置采用接觸分離式摩擦納米發(fā)電模式. 通過(guò)腳底周期性上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)該裝置上層亞克力板做上下周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)接觸式外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程. 該能量采集器在低頻和高頻的環(huán)境下都有電壓和電流的輸出. 該裝置EMG發(fā)電單元采用直徑為35 mm、高度為4.5 mm 的銣鐵硼(NdFeB)永磁鐵和重量為6 g、匝數(shù)為5 000的線圈. TENG發(fā)電單元采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)與Al接觸分離摩擦模式，其中PDMS薄膜黏附于底部磁鐵上，Al層黏附于頂部線圈，通過(guò)周期性接觸分離，獲得電能. 該器件利用人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的電量驅(qū)動(dòng)無(wú)線計(jì)步器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?5 m以內(nèi)的手機(jī)上. 圖1(e)～(h)分別表示TENG與EMG的輸出電壓與電流. 從圖中可以得知，TENG能夠輸出268 V的短路電壓以及61 μA的短路電流. EMG輸出4 V的開路電壓以及3 mA的短路電流. 從圖1(i)可以知道，將TENG與EMG進(jìn)行復(fù)合以后對(duì)容量為47 μF 的電容充電效率要高于單個(gè)發(fā)電單元.

2017年西北工業(yè)大學(xué)Ren Xiaohu等[25]提出了一種新型的磁力驅(qū)動(dòng)非接觸式電磁摩擦納米發(fā)電機(jī). 該裝置通過(guò)靜電紡絲技術(shù)將Fe3O4顆粒嵌入到聚偏氟乙烯(PVDF)纖維中制備出摩擦層. 該裝置EMG單元將匝數(shù)為5 000的線圈嵌入底層亞克力板，通過(guò)預(yù)制拱形聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)將內(nèi)含F(xiàn)e3O4顆粒的PVDF薄膜黏附在PET內(nèi)側(cè)，然后將裝配好的部分密封于一個(gè)長(zhǎng)為5.5 cm，寬為3 cm，高為2 cm的塑料盒子中. 該裝置采用外置磁鐵的周期性遠(yuǎn)離/接近納米發(fā)電機(jī)，與PVDF中磁粉產(chǎn)生作用力實(shí)現(xiàn)PVDF與Al的接觸/分離，并且引起穿過(guò)底部線圈磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流. 通過(guò)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以避免TENG由于受到外部環(huán)境(濕度、灰塵等)的影響而對(duì)輸出性能的影響(具體結(jié)構(gòu)見圖2).

圖2 磁力驅(qū)動(dòng)非接觸式摩擦-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.2 Magnetic driven non-contact triboelectric-electromagnetic hybrid generator

在外接負(fù)載200 Ω的電阻下，EMG能夠產(chǎn)生3.4 mW輸出功率，TENG在外接負(fù)載20 MΩ的電阻下可以產(chǎn)生0.23 mW的輸出功率. 通過(guò)對(duì)容量為 4.7 mF 的電容充電曲線可以看出，將TENG與EMG相復(fù)合可以有更好的輸出效率. 在實(shí)際應(yīng)用中，器件通過(guò)為儲(chǔ)能設(shè)備充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子產(chǎn)品(數(shù)碼手表、溫濕度計(jì)等)的持續(xù)電能供應(yīng).

自王中林院士提出“藍(lán)色能源”[26]以來(lái)，圍繞著“藍(lán)色能源”主題涌現(xiàn)出許多波浪能源采集器[15,16，21]. Hengyu Guo等[21]提出了一種能夠在惡劣環(huán)境下正常工作的防水摩擦-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī). 如圖3 所示，該裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)非接觸旋轉(zhuǎn)式電磁摩擦復(fù)合機(jī)制. 該裝置可以分為兩部分：密封部分與空間自由旋轉(zhuǎn)磁鐵組部分. 其工作原理是在上部磁鐵組與密封室內(nèi)的磁鐵組之間非接觸引力的作用下間接驅(qū)動(dòng)TENG部分運(yùn)動(dòng). 該納米發(fā)電機(jī)能夠在1 600 r/min的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生5 V的開路電壓以及2.3 mA的短路電流，可以在22 s內(nèi)將容量為20 mF的電容充電到1 V.

圖3 用于惡劣環(huán)境中防水摩擦-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.3 Waterproof triboelectric-electromagnetic hybridgenerator for harsh environment

可穿戴式能源采集器一直以來(lái)都是科學(xué)家致力研究的領(lǐng)域. 2018年韓國(guó)云光大學(xué)J.Y. Park團(tuán)隊(duì)研制了一款能夠佩戴在手腕的摩擦-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī)[27].

如圖4 所示，器件采用3D打印技術(shù)制備內(nèi)徑為1.1 cm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)半圓弧管道，然后將采用ICP刻蝕得到表面粗糙的PTFE薄膜黏附在ABS管道內(nèi)壁.

圖4 手腕可穿戴式電磁-摩擦復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.4 Wearable electromagnetic-triboelectric hybrid generator for wrist

管道的外部由4個(gè)Al電極間隙纏繞，并將兩組線圈串聯(lián)纏繞在Al電極上. TENG單元采用單電極摩擦結(jié)構(gòu)，摩擦電荷會(huì)在兩個(gè)Al電極之間相互轉(zhuǎn)移從而形成電能. 在磁鐵球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于穿過(guò)線圈的磁通量不斷變化，從而形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 當(dāng)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該器件的EMG部分在外接49.2 Ω電阻時(shí)，功率密度能夠達(dá)到5.14 mW/cm3. 當(dāng)外接電阻為13.9 mΩ時(shí)，TENG的輸出功率密度為0.22 μW/cm3. 在人體運(yùn)動(dòng)5 s后，器件產(chǎn)生的電能能夠?yàn)殡娮邮直沓掷m(xù)供電410 s. 通過(guò)不斷優(yōu)化，該器件有望為自供電可穿戴智能腕帶/手表或者健康檢測(cè)傳感器提供電能.

1.2 電磁-壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

不同于摩擦納米發(fā)電機(jī)工作機(jī)理，壓電納米發(fā)電機(jī)是一種利用壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件. 在外部機(jī)械的作用下，壓電材料發(fā)生形變而產(chǎn)生的極化電荷和隨時(shí)間變化的電場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)電子在外電路流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電能[28]. 目前，常用的壓電材料有ZnO、鋯鈦酸鉛(PZT), BaTiO3, PMN-PT, PVDF等. 由于壓電納米發(fā)電機(jī)主要是用壓電材料與其他適合的基板組合制作的. 因此，壓電納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)多為梁結(jié)構(gòu). 在輸出性能上，壓電納米發(fā)電機(jī)類似于摩擦納米發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗鼈兛梢暂敵龃箅妷汉偷碗娏? 通過(guò)將壓電與電磁發(fā)電單元組合，能夠產(chǎn)生較高的輸出功率. 西安電子科技大學(xué)的Fan Kangqi等[29]制備復(fù)合能量采集器(具體圖示見圖5(a)). 該器件主要由兩部分組成：PENG與EMG. 其中，PENG由兩根壓電梁組成. 當(dāng)球型磁鐵在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，與梁上半球形負(fù)載體相接觸而使壓電梁發(fā)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生電能. EMG由管道上纏繞的線圈以及磁鐵球組成. 當(dāng)磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 該復(fù)合能量采集在手搖的激勵(lì)下能夠點(diǎn)亮數(shù)十個(gè)商業(yè)LED燈.

圖5 用于采集低頻激勵(lì)的壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.5 Piezoelectric-electromagnetic hybrid generator for acquisition of low frequency excitation

新加坡國(guó)立大學(xué)Bin Yang[30]等人對(duì)壓電-電磁復(fù)合式發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究. 器件采用PZT懸臂梁作為核心部件(具體圖示見圖6(a)). 當(dāng)PZT懸臂梁受到外界激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，伴隨著PZT梁上下彎曲振動(dòng)，器件將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能. 研究者在懸臂梁的末端放置一塊圓形永磁鐵，并在懸臂梁正前方放置一塊由MEMS工藝制備的線圈，通過(guò)永磁鐵的上下振動(dòng)，為線圈提供變化的磁通量. 研究者同時(shí)研究了線圈與磁鐵相對(duì)位置對(duì)輸出性能的影響. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁鐵的磁化方向與線圈平面垂直時(shí)，線圈輸出電壓最大. 實(shí)驗(yàn)表明，在外界激勵(lì)頻率為310 Hz、加速度為2.5 g時(shí)，PZT懸臂梁輸出0.84 V電壓和176 μW的功率，電磁輸出0.78 mV電壓和0.19 μW的功率. 在類型Ⅲ的情況下，壓電與電磁輸出功率密度分別為790 μW/cm3和0.85 μW/cm3.

馬六甲馬來(lái)西亞技術(shù)大學(xué)曾報(bào)道了一種基于壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)[31]. 該器件與上述新加坡國(guó)立大學(xué)Bin Yang所研制的發(fā)電機(jī)類似，同樣采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu). 將四塊永磁鐵分為兩組分別加在懸臂梁自由末端，通過(guò)亞克力板將匝數(shù)為1 200的線圈固定在兩組磁鐵片間. 當(dāng)懸臂梁發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電材料與線圈就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電能. 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外界激勵(lì)為15 Hz，壓電材料在外電路負(fù)載為60 kΩ能輸出2.3 mW的最優(yōu)功率，而電磁發(fā)電機(jī)在負(fù)載為40 Ω時(shí)輸出3.5 mW的最優(yōu)功率.

圖6 基于壓電陶瓷制備壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.6 Fabrication of piezoelectric-electromagnetic hybrid generator based on piezoelectric ceramics

圖7 懸臂梁式壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)Fig.7 Cantilever piezoelectric-electromagnetic hybrid generator

1.3 摩擦-壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

為了提升收集機(jī)械能的效率，研究人員研究了一系列同時(shí)利用摩擦效應(yīng)與壓電效應(yīng)來(lái)收集機(jī)械能的器件. 這種復(fù)合器件同時(shí)需要壓電材料與摩擦材料以及相應(yīng)的金屬電極，從而會(huì)增加了器件的復(fù)雜程度.

2013年，北京大學(xué)張海霞課題組以PVDF、聚四氟乙烯(PTFE)分別作為壓電材料與摩擦材料制備了摩擦-壓電復(fù)合發(fā)電機(jī)[32]. 從圖8(a) 可以看出，該器件的壓電部分由PVDF以及黏附于其兩側(cè)的Al電極組成. 摩擦部分是由表面具有金字塔結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜與上層Al電極所構(gòu)成. 當(dāng)上層PVDF受到外界機(jī)械擠壓后，PVDF自身由于發(fā)生形變而產(chǎn)生壓電電勢(shì)，同時(shí)由于黏附于PVDF表面的鋁電極與下層PMDS表面發(fā)生接觸分離摩擦而產(chǎn)生摩擦電勢(shì)，通過(guò)外部電路將兩種電勢(shì)導(dǎo)出形成電流而驅(qū)動(dòng)載荷工作.

圖8 r型摩擦-壓電納米發(fā)電機(jī)Fig.8 r-type triboelectric-piezoelectric nano-generator

2015年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所(KIST)報(bào)道了一種將壓電與摩擦復(fù)合到一起的能源采集器[33]. 該器件壓電部分采用PVDF，摩擦部分采用PTFE與Au. 器件在0.2 N的手指敲擊力度下能夠輸出大約12 μA/cm2的電流密度與4.44 mW/cm2的功率. 實(shí)驗(yàn)表明，該器件在持續(xù)敲擊下，能夠點(diǎn)亮550盞商用LED燈.

2017年，臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)Chun-Yu Chen團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一款能夠收集人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的器件[34]. 該器件采用摩擦-壓電復(fù)合機(jī)理. 3D打印制備柔性中空結(jié)構(gòu)，在中空結(jié)構(gòu)中間制備一對(duì)卷起的壓電柔體管. 通過(guò)粘合劑將PVB-base PENG置于中空結(jié)構(gòu)，通過(guò)周期性擠壓，兩組PENG產(chǎn)生形變而形成壓電電能. 在中空結(jié)構(gòu)的底部黏附一層Cu以及底層放置一層PTFE. 當(dāng)中空結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時(shí)，Cu層與PTFE發(fā)生周期性接觸分離，從而形成TENG. 通過(guò)將PENG與TENG復(fù)合，器件能夠產(chǎn)生100 V的輸出電壓，4 μA的電流和450 nW的峰值功率. 該器件還能識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖10 所示，隨著腿部不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，器件會(huì)有不同的輸出，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)的識(shí)別.

圖10 用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的壓電-摩擦復(fù)合自供電傳感器Fig.10 Piezoelectric-triboeletric hybrid self-powered sensor for human motion monitoring

圖11 可拉伸透明復(fù)合納米發(fā)電機(jī)Fig.11 Stretchable transparent hybrid nanogenerator

目前，隨著壓電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)展，其中柔性納米發(fā)電機(jī)更適合于收集人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能[35]. 結(jié)合摩擦納米發(fā)電機(jī)，可穿戴式壓電-摩擦復(fù)合納米發(fā)電機(jī)在自供電傳感健康監(jiān)系統(tǒng)以及對(duì)移動(dòng)設(shè)備電能供給方面具有巨大潛力. 2017年，南洋理工大學(xué)Chen Xiaoliang等研制了一種透明、可伸縮摩擦-壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)[36]. 器件采用AgNW作為可拉伸電極，將BaTiO3顆粒混入PDMS種，并以此作為壓電層. 通過(guò)單電極TENG與PENG復(fù)合在一起，器件不僅可以在接觸分離的過(guò)程中產(chǎn)生電能，而且還可以作為壓力傳感器. 通過(guò)周期性接觸與分離，器件能夠輸出105 V的輸出電壓，以及6.5 μA/cm2的電流密度與102 μW/cm2的功率密度. 鑒于器件優(yōu)良的輸出特性以及高靈敏度，有望在柔性、可穿戴電子領(lǐng)域，特別是健康監(jiān)測(cè)醫(yī)療器械領(lǐng)域，有新的應(yīng)用前景.

1.4 摩擦-壓電-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

復(fù)合型發(fā)電機(jī)主要是將多種換能單元集合到一起，在同一時(shí)間從同一激勵(lì)源獲得能量. 在不影響單一換能單元正常工作的前提下，盡可能多地集合多種換能單元能夠提高能量的轉(zhuǎn)換效率.

圖12 基于磁懸浮結(jié)構(gòu)的壓電-摩擦-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī)Fig.12 Piezoelectric-triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator based on maglev structure

2017年，中北大學(xué)研制了一種將摩擦、壓電、電磁三種換能機(jī)制集合于一體的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)[37]. 該器件以磁懸浮結(jié)構(gòu)為核心部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、感應(yīng)靈敏、輸出功率高的優(yōu)點(diǎn). 外界振動(dòng)激勵(lì)頻率為20 Hz時(shí)，EMG、TENG、PENG分別輸出36 mW, 78.4 μW, 122 mW的功率. 將各個(gè)換能單元通過(guò)圖12(b)中整流電路后，能 4 min之內(nèi)將容量為1 000 μF的電容充電到8 V. 研究者將該器件集成到一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，在相應(yīng)的外界激勵(lì)下，器件可以驅(qū)動(dòng)無(wú)線傳感器系統(tǒng)，將系統(tǒng)采集到的溫度和振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)，在礦山監(jiān)測(cè)、海洋防衛(wèi)、智能制造等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力.

2018年，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于懸臂梁制備的摩擦-壓電-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī)[38]. 如圖13(a) 所示，該器件由預(yù)制聚乳酸(PLA)弧形殼體與PET懸臂梁組成. PLA弧形殼體底面黏附PTFE層作為摩擦發(fā)電的負(fù)性材料，線圈置于頂部末端. PET懸臂梁頂部由Al層包覆，底部黏附層PVDF，末端中間放置一個(gè)圓形磁鐵. 當(dāng)器件受到外界激勵(lì)時(shí)，中間懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，與PLA產(chǎn)生周期性的接觸分離，從而產(chǎn)生摩擦電動(dòng)勢(shì). 在PET做周期性彎曲振動(dòng)時(shí)，位于其頂部的PVDF也隨著產(chǎn)生彎曲，形成壓電電動(dòng)勢(shì). 位于PET中間的圓形磁鐵隨著PET做周期性上下彎曲振動(dòng)，使得穿過(guò)PLA上的線圈磁通量發(fā)生改變而形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 該器件在外界振動(dòng)頻率為23 Hz時(shí)，EMG、TENG、PENG、Hybrid NG可以在相應(yīng)的匹配電阻下輸出0.8, 0.15, 0.25, 1.2 mA 的電流. 該器件通過(guò)電源管理電路，實(shí)現(xiàn)持續(xù)性直流輸出，可以為射頻無(wú)線磁壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和其他常規(guī)電子器件提供足夠的直流電源.

圖13 懸臂梁式摩擦-電磁-壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)Fig.13 Cantilever triboelectric-electromagnetic-piezoelectric hybrid nanogenerator

基于振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能量采集器通常受其輸出性能與工作帶寬的限制，提升機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率與增加能量采集器工作帶寬逐漸成為兩個(gè)迫切的研究熱點(diǎn). 2017年，重慶大學(xué)報(bào)道了一種低頻壓電-摩擦-電磁復(fù)合的能量采集器[39]. 該器件包括一個(gè)帶有四個(gè)L形的拾振結(jié)構(gòu)和兩個(gè)由PET制備的拾振結(jié)構(gòu). 結(jié)構(gòu)I由PVDF薄膜和NdFeB永磁鐵組成，結(jié)構(gòu)II由PDMS組成. 當(dāng)器件收到外部激勵(lì)時(shí)，結(jié)構(gòu)I和II會(huì)發(fā)生振動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓電、摩擦、電磁信號(hào). 當(dāng)外界激勵(lì)頻率為20 Hz、加速度0.5 g時(shí)，PENG能輸出41.0 μW的最大功率(負(fù)載電阻為800.1 kΩ)，EMG可以輸出66.5 μW 的功率(負(fù)載電阻為343.1 Ω)，TENG可以輸出4.6 μW的功率(負(fù)載電阻為1.4 mΩ).

圖14 用于采集低頻振動(dòng)的壓電-摩擦-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī)Fig.14 Piezoelectric-triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for low frequency vibration acquisition

2 總結(jié)與展望

隨著電子設(shè)備的功耗逐步降低，從我們周邊環(huán)境獲得機(jī)械能能夠有效解決電子設(shè)備的供電問題. 本文概述了四種復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的最新進(jìn)展. 復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)致力于從環(huán)境中最大限度收集廢棄的機(jī)械能，通過(guò)摩擦、壓電、電磁之間的相互復(fù)合，使得各個(gè)換能單元能夠同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境能量的最大化采集. 近期所報(bào)道的復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)不僅能夠用于點(diǎn)亮商業(yè)用LED燈，還可以通過(guò)外接電路為負(fù)載系統(tǒng)以及一些低功耗生活電子產(chǎn)品提供持續(xù)電能. 盡管如此，復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)仍面臨一些亟需解決的問題.

1) 材料自身局限. 現(xiàn)有壓電和摩擦材料由于內(nèi)阻較大，導(dǎo)致輸出電壓大、電流小. 因此，未來(lái)應(yīng)著眼于降低材料內(nèi)阻，提升各項(xiàng)輸出指標(biāo).

2) 能源管理電路優(yōu)化. 目前，對(duì)于不同換能機(jī)制的復(fù)合主要體現(xiàn)在換能單元結(jié)構(gòu)布局上的復(fù)合，即通過(guò)對(duì)不同能量采集單元安放位置的合理布局，提高系統(tǒng)采集效率. 而對(duì)復(fù)合型能源管理電路的研究甚少，由于不同能量采集單元具有不同的系統(tǒng)內(nèi)阻和響應(yīng)特性，單一策略的能源管理模式或管理芯片并不適用.

3) 電路低功耗技術(shù). 盡管復(fù)合方式能在一定程度上提高采集效率，但其能量尺度仍屬微能源范疇，盡量降低后端管理電路功耗是本領(lǐng)域長(zhǎng)期不變的追求目標(biāo).

目前，由于換能材料、管理電路、能量存儲(chǔ)等方面的限制，納米發(fā)電機(jī)的帶載能力還只能為一些低功耗電子產(chǎn)品供能，不能取代傳統(tǒng)的電池供電方式，距離大規(guī)模應(yīng)用還有很長(zhǎng)距離. 但是，相信在未來(lái)，隨著對(duì)微能源技術(shù)研究的不斷深入，微能源技術(shù)成果必將在物聯(lián)網(wǎng)、柔性監(jiān)測(cè)、可穿戴電子等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.