中國粉體網(wǎng)訊 近日，由中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所和美國佐治亞理工學院共同參與的科研團隊在納米能源所首席科學家、中國科學院外籍院士王中林帶領(lǐng)下，定義了摩擦納米發(fā)電機的品質(zhì)因數(shù)作為其標準，并對發(fā)電機的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和材料品質(zhì)因數(shù)分別進行了模擬計算和實驗測量。該研究為摩擦納米發(fā)電機的進一步應用和工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Standards and Figure-of-Merits for Quantifying the Performance of Triboelectric Nanogenerators 為題在線刊登于《自然·通訊》期刊。
摩擦起電效應，是兩種不同材料經(jīng)過相互摩擦而使其接觸表面帶電的現(xiàn)象，是自然界中最常見的現(xiàn)象之一。王中林領(lǐng)導的研究團隊于2012年首次成功地研發(fā)出用有機材料制作的摩擦納米發(fā)電機，原創(chuàng)性地利用摩擦起電和靜電感應的耦合效應將機械能轉(zhuǎn)化成電能，并在近年來陸續(xù)展示了該類器件的各種基本工作模式和其適用于各種機械運動的能力。然而，基于多種模式多種結(jié)構(gòu)的該類發(fā)電機還沒有一個統(tǒng)一標準來評價發(fā)電機的輸出能力，各種發(fā)電機之間也無法進行比較。相比之下，其它的能量轉(zhuǎn)換器件都有自己標準，例如熱機的卡諾效率、太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率、熱電材料的ZT因子等等。評價標準的缺乏會極大地制約該發(fā)電機的發(fā)展和應用。
摩擦納米發(fā)電機自發(fā)明以來，其輸出性能已經(jīng)為實驗和理論所證明。然而，由于此發(fā)電機的輸出與外界機械能輸入以及外接負載都有很大關(guān)系，如何評價發(fā)電機的品質(zhì)一直是一個難題。而目前對于發(fā)電人們主要關(guān)注其平均輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率。由訾云龍、牛思淼等組成的團隊，在王中林的指導下，從摩擦納米發(fā)電機的電壓V-電極間轉(zhuǎn)移電荷量Q曲線出發(fā)，對于發(fā)電機每周期輸出能量進行了研究，并且首次提出了摩擦納米發(fā)電機的最大能量輸出循環(huán)�；诖搜h(huán)，參考了發(fā)電機平均輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率的定義，研究人員提出了發(fā)電機的性能品質(zhì)因數(shù)作為評價發(fā)電機的標準，其中包括一個與發(fā)電機設(shè)計相關(guān)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和一個等于表面電荷密度平方的材料品質(zhì)因數(shù)。為了表征和比較不同結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機，研究人員通過解析式計算和有限元模擬得出了摩擦納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)，并對不同模式和結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機進行了比較。該團隊還提供一種標準方法來表征材料品質(zhì)因數(shù)，采用液態(tài)金屬較為準確測量了摩擦層材料的表面電荷密度并計算了相關(guān)的材料品質(zhì)因數(shù)。
對于該研究，同行業(yè)的專家給出了很高的評價。文章中所提出的一系列標準、模擬與實驗的手段、理論和實驗的結(jié)果對于摩擦納米發(fā)電機來說都屬于革命性的突破。首先，研究者所定義的品質(zhì)因數(shù)作為摩擦納米發(fā)電機的可信的標準，實現(xiàn)了定量評價該發(fā)電機和比較不同發(fā)電機性能的方法。其次，文章中對結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的模擬成為了摩擦納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化的依據(jù)。最后，文章中所提出來的通過液態(tài)金屬（液態(tài)鎵及其合金等）對摩擦表面電荷密度的測量為材料摩擦性能的量化提供了依據(jù)。此外，該研究中還體現(xiàn)了許多科學上和技術(shù)上的創(chuàng)新點。首先，文章中所使用的通過發(fā)電機的V-Q曲線來研究摩擦納米發(fā)電機輸出性能的研究手段將成為研究該發(fā)電機的有效工具。其次，通過該V-Q曲線，研究人員所提出的具有最大可能輸出的循環(huán)為將來設(shè)計和優(yōu)化該發(fā)電機的輸出循環(huán)提供了標桿；和其它能量轉(zhuǎn)換器件（如熱機）不同的是，這個具有最大輸出的循環(huán)是可以通過實驗來實現(xiàn)的。最后，該研究還為從結(jié)構(gòu)上和材料上評價摩擦納米發(fā)電機提供了標準方法。因此，該研究對于摩擦納米發(fā)電機的發(fā)展和應用具有重大意義，并將為推動摩擦納米發(fā)電機的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
摩擦起電效應，是兩種不同材料經(jīng)過相互摩擦而使其接觸表面帶電的現(xiàn)象，是自然界中最常見的現(xiàn)象之一。王中林領(lǐng)導的研究團隊于2012年首次成功地研發(fā)出用有機材料制作的摩擦納米發(fā)電機，原創(chuàng)性地利用摩擦起電和靜電感應的耦合效應將機械能轉(zhuǎn)化成電能，并在近年來陸續(xù)展示了該類器件的各種基本工作模式和其適用于各種機械運動的能力。然而，基于多種模式多種結(jié)構(gòu)的該類發(fā)電機還沒有一個統(tǒng)一標準來評價發(fā)電機的輸出能力，各種發(fā)電機之間也無法進行比較。相比之下，其它的能量轉(zhuǎn)換器件都有自己標準，例如熱機的卡諾效率、太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率、熱電材料的ZT因子等等。評價標準的缺乏會極大地制約該發(fā)電機的發(fā)展和應用。
摩擦納米發(fā)電機自發(fā)明以來，其輸出性能已經(jīng)為實驗和理論所證明。然而，由于此發(fā)電機的輸出與外界機械能輸入以及外接負載都有很大關(guān)系，如何評價發(fā)電機的品質(zhì)一直是一個難題。而目前對于發(fā)電人們主要關(guān)注其平均輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率。由訾云龍、牛思淼等組成的團隊，在王中林的指導下，從摩擦納米發(fā)電機的電壓V-電極間轉(zhuǎn)移電荷量Q曲線出發(fā)，對于發(fā)電機每周期輸出能量進行了研究，并且首次提出了摩擦納米發(fā)電機的最大能量輸出循環(huán)�；诖搜h(huán)，參考了發(fā)電機平均輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率的定義，研究人員提出了發(fā)電機的性能品質(zhì)因數(shù)作為評價發(fā)電機的標準，其中包括一個與發(fā)電機設(shè)計相關(guān)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和一個等于表面電荷密度平方的材料品質(zhì)因數(shù)。為了表征和比較不同結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機，研究人員通過解析式計算和有限元模擬得出了摩擦納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)，并對不同模式和結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機進行了比較。該團隊還提供一種標準方法來表征材料品質(zhì)因數(shù)，采用液態(tài)金屬較為準確測量了摩擦層材料的表面電荷密度并計算了相關(guān)的材料品質(zhì)因數(shù)。
對于該研究，同行業(yè)的專家給出了很高的評價。文章中所提出的一系列標準、模擬與實驗的手段、理論和實驗的結(jié)果對于摩擦納米發(fā)電機來說都屬于革命性的突破。首先，研究者所定義的品質(zhì)因數(shù)作為摩擦納米發(fā)電機的可信的標準，實現(xiàn)了定量評價該發(fā)電機和比較不同發(fā)電機性能的方法。其次，文章中對結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的模擬成為了摩擦納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化的依據(jù)。最后，文章中所提出來的通過液態(tài)金屬（液態(tài)鎵及其合金等）對摩擦表面電荷密度的測量為材料摩擦性能的量化提供了依據(jù)。此外，該研究中還體現(xiàn)了許多科學上和技術(shù)上的創(chuàng)新點。首先，文章中所使用的通過發(fā)電機的V-Q曲線來研究摩擦納米發(fā)電機輸出性能的研究手段將成為研究該發(fā)電機的有效工具。其次，通過該V-Q曲線，研究人員所提出的具有最大可能輸出的循環(huán)為將來設(shè)計和優(yōu)化該發(fā)電機的輸出循環(huán)提供了標桿；和其它能量轉(zhuǎn)換器件（如熱機）不同的是，這個具有最大輸出的循環(huán)是可以通過實驗來實現(xiàn)的。最后，該研究還為從結(jié)構(gòu)上和材料上評價摩擦納米發(fā)電機提供了標準方法。因此，該研究對于摩擦納米發(fā)電機的發(fā)展和應用具有重大意義，并將為推動摩擦納米發(fā)電機的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
