評(píng)判納米發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)問世

　　近日，由中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院共同參與的科研團(tuán)隊(duì)在納米能源所首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林帶領(lǐng)下，定 義了摩擦納米發(fā)電機(jī)的品質(zhì)因數(shù)作為其標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和材料品質(zhì)因數(shù)分別進(jìn)行了模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。該研究為摩擦納米發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)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(yīng)，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(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2012年首次成功地研發(fā)出 用有機(jī)材料制作的摩擦納米發(fā)電機(jī)，原創(chuàng)性地利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，并在近年來(lái)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的能力。然而，基于多種模式多種結(jié)構(gòu)的該類發(fā)電機(jī)還沒有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)的輸出能力，各種發(fā)電機(jī)之間也無(wú)法進(jìn)行比較。相比之下， 其它的能量轉(zhuǎn)換器件都有自己標(biāo)準(zhǔn)，例如熱機(jī)的卡諾效率、太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率、熱電材料的ZT因子等等。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏會(huì)極大地制約該發(fā)電機(jī)的發(fā)展和 應(yīng)用。

　　摩擦納米發(fā)電機(jī)自發(fā)明以來(lái)，其輸出性能已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)和理論所證明。然而，由于此發(fā)電機(jī)的輸出與外界機(jī)械能輸入以及外接負(fù)載都有很大 關(guān)系，如何評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)的品質(zhì)一直是一個(gè)難題。而目前對(duì)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(tuán)隊(duì)，在王中林的指導(dǎo) 下，從摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓V-電極間轉(zhuǎn)移電荷量Q曲線出發(fā)，對(duì)于發(fā)電機(jī)每周期輸出能量進(jìn)行了研究，并且首次提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)的最大能量輸出循環(huán)?；?于此循環(huán)，參考了發(fā)電機(jī)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(jī)的性能品質(zhì)因數(shù)作為評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括一個(gè)與發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié) 構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和一個(gè)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(jī)，研究人員通過解析式計(jì)算和有限元模擬得出了摩擦納米發(fā)電 機(jī)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)，并對(duì)不同模式和結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行了比較。該團(tuán)隊(duì)還提供一種標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)表征材料品質(zhì)因數(shù)，采用液態(tài)金屬較為準(zhǔn)確測(cè)量了摩擦層材料的表 面電荷密度并計(jì)算了相關(guān)的材料品質(zhì)因數(shù)。

　　對(duì)于該研究，同行業(yè)的專家給出了很高的評(píng)價(jià)。文章中所提出的一系列標(biāo)準(zhǔn)、模擬與實(shí)驗(yàn)的手段、理 論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)于摩擦納米發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)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(jī)的可信的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了定量評(píng)價(jià)該發(fā)電機(jī)和比較 不同發(fā)電機(jī)性能的方法。其次，文章中對(duì)結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的模擬成為了摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化的依據(jù)。最后，文章中所提出來(lái)的通過液態(tài)金屬（液態(tài)鎵及其合 金等）對(duì)摩擦表面電荷密度的測(cè)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(xué)上和技術(shù)上的創(chuàng)新點(diǎn)。首先，文章中所使用的通過發(fā)電機(jī)的 V-Q曲線來(lái)研究摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的研究手段將成為研究該發(fā)電機(jī)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(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化該發(fā)電機(jī)的輸出循環(huán)提供了標(biāo)桿；和其它能量轉(zhuǎn)換器件（如熱機(jī)）不同的是，這個(gè)具有最大輸出的循環(huán)是可以通過實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最后，該研究還為從 結(jié)構(gòu)上和材料上評(píng)價(jià)摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了標(biāo)準(zhǔn)方法。因此，該研究對(duì)于摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用具有重大意義，并將為推動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)奠定 基礎(chǔ)。