研究背景
严重的气候变化和与能源有关的环境问题是目前世界上的关键问题。为了减少碳排放和拯救我们的环境，可再生能源采集技术将在不久的将来作为一个关键的解决方案。其中，摩擦纳米发电机(TENGs)是利用接触电气化现象的最有前途的机械能采集器之一，由于具有丰富的可浪费的机械能来源，以及在材料的广泛可得性和选择、相对简单的器件配置和低成本的加工等方面的一些优势，正在爆炸性地发展。自2012 年的报告以来，在理解基本行为和广泛的示范方面已经取得了重大的实验和理论努力。因此，已经展示了相当大的技术进步，它推进了拟议路线图中的成就时间表。现在，该技术已经达到了原型开发的阶段，并在实验室规模的环境中验证了其性能，从而实现了商业化。
研究成果
在这篇综述中，纳米能源与系统研究所王中林院士&
成均馆大学Jeong Min Baik教授及Dukhyun Choi教授等人共同总结了 TENG 领域的理论、材料、器件、系统、电路和应用的技术现状。在过去的十年中，世界各地的研究人员在这一领域取得了巨大的研究成果，预计在未来十年中，这些成果将对出乎意料地加速技术进步发挥重要作用。相关报道以“Recent Advances in Triboelectric Nanogenerators: From Technological Progress to Commercial Applications”为题发表在ACS Nano期刊上。
图文导读
Figure 1. (a) Energy harvesting sources in nature and potential power levels (bottom) corresponding to each source, (b) various kinds of mechanical energy sources as a function of frequencies.
Figure 2. Designs of TENGs for harvesting various mechanical energy sources.
Figure 3. Schematic diagram showing the working principle of the vertical contact-separation fundamental mode.
Figure 4. Comparison of Maxwell’s equations for stationary media and moving charged media.
Figure 5. (a) Annual trends in the number of published articles and the number of countries in the research field of triboelectric nanogenerators. The last 11 years of publication related to (b) materials, devices, mechanical systems, circuits, (c) mechanical conversion systems, sustainable aspects, power management, and robots was extracted from the Web of Science.
Figure 6. Proposed roadmap of TENGs (a) from 2013 to 2022. (b) From 2017 to 2027 toward industrialization of TENGs.
Figure 7. Triboelectric series.
Figure 8. Electron transfer model.
Figure 9. Electron transfer model at the liquid−solid interface.
Figure 10. Ion transfer model.
总结与展望
自2012年报道TENGs 以来，它们在材料、器件、系统、电路和应用方面得到了爆炸性的发展，并且仍在不断发展。在这篇综述中，作者希望平衡每个主题的重要性并涵盖每个主题的所有问题。在本综述中，最重要的是了解到 TENG 安装的目标环境对于加强和优化TENG系统是最关键的，这对于TENG的商业化至关重要。由于TENGs的应用很多，不可能涵盖TENGs 的所有应用，但相信读者可以了解TENG 在下一代生活中应用的巨大可能性。在第一节中，介绍了丰富的废弃机械能和 TENG作为众多机械能采集器之一的优势。此外，研究了TENGs 的管理方程，这些方程是由王中林教授扩展的麦克斯韦方程引起的。但是，仍然可以根据参数函数来扩展这些方程，并进一步设计更好的摩擦材料和设备、系统和电路。
在第2节中，作者回顾了一系列的摩擦电材料，从两种材料的表面在物理接触过程中发生的电荷转移机制的基本原理开始，到关键材料技术的政府策略，以最大限度地提高表面上产生的电荷密度。电荷转移通常通过电子、离子和材料或两种以上物质的转移来解释，同时还回顾了固体表面和液体的接触电化。为了增加电荷密度，许多关于物理表面改性的研究已经进行通过蚀刻工艺和图案化工艺开发各种纳米结构。化学表面改性，如等离子体处理、中性束辐照、紫外线/臭氧处理和化学功能化，也是提高摩擦纳米发电机输出性能的一个好方法。除了表面修饰，材料的修饰，如介电常数、机械性能等，也能显著改变TENG 的性能。这里回顾了各种复合材料，如聚合物-金属无机纳米材料复合材料、聚合物-2D 纳米材料复合材料铁电聚合物-无机纳米材料复合材料，以及柔性/可拉伸复合材料。除了表面和体外修饰，通过电子捕获层和电子阻断层/功能夹层的中间层工程是提高 TENGS 产出的一个有希望的方法。此外，还回顾了基于共价键和弱静电相互作用的逐层自组装方法。在 TENGs 中需要克服的可能是材料的稳定性和运行时的噪音。作为功能性摩擦材料，建议将自愈性聚合物材料用于TENGs，以提高器件的耐久性。为了降低运行时的噪音，有报道称通过引入多孔金属海绵来实现降噪的TENG技术。最后对TENGs的生物材料作为电子设备的能源进行了回顾如可穿戴、可植入和环境友好型设备。
在第3节中，作者概述了按操作模式类型划分的TENG装置。尽管最近取得了令人印象深刻的进展，证明了它们作为一种迷人的能量收集器的潜力，但该领域仍处于早期阶段，就产生的能量而言，这些装置还远未用于实际应用。瞬时放电 TENG设计的宝贵努力有助于TENG产生高峰值功率。然而，输出产生的时间相对较短，每一个输入触点不超过几毫秒，限制了其实际应用。另外，电荷泵设计 (主TENG 的子TENG)也是有吸引力的方法，可以提高产生的电能数量。然而，这种设计仍然需要额外的泵送子TENG 装置，导致整个系统更大、更重。将子 TENG 的功能结合到主设备中可能是一个有吸引力的方法。此外，传统 TENGS 的交流脉冲式输出不适合作为现实生活中电子设备的电源。为了解决上述问题，对产生直流电流的TENG的研究已经被密集强调。即使这是在现实生活中利用TENGs 的迷人研究方向，它仍然需要相对较高的输入频率来获得有用的高功率。预计需要探索最小化TENG 产生稳定的高输出能量的策略，确保TENG 在未来得到广泛的实际应用。
在第4 节，作者回顾了基于 TENGS 的能量采集器的各种机械设计，考虑到输入能源的机械特性，可以有效发电。有很多专门的机械能量采集系统可以采集各种输入能源，如海浪、风、生物机械和振动能量。为了了解能量收集器的综合机械设计准则，解释了基于 TENG的机械系统，能够通过融入各种能量传输的机械元素的设计，如齿轮组、弹簧和凸轮系统放大、缩小甚至调制输出频率。因此，它成功地实现了理想的输出性能、较长的使用寿命和不规则输入能源的稳定发电。此外，还审查了一个谐振系统，它可以通过在谐振频率和谐振波长上的振动，以大幅提高的振幅收获振动能量。鉴于此，基于谐振系统的 TENG 可以将微振动甚至声振动转化为有用的电力，并具有高灵敏度的优势。在这方面，基于共振系统的能量收集器不仅可以收集振动能量为微型纳米电子器件供电，而且它还可以在周围环境中发挥自供电和无线振动传感器的重要作用。因此，本综述将根据输入能源的特点提供机械设计指南，从而大大促进能量收集器在未来的实际应用。
在第5节，介绍了用于电源管理的电路设计。由于阻抗不匹配，TENGs 在直接为传统电子供电或为储能装置充电时通常表现出低能量传输效率。TENG 的输入阻抗高(~M2)，而传统电子设备和储能装置的阻抗相对较低。此外，TENG 的输出特性通常提供几百伏的高电压，~uA 水平的低输出电流，以及有限的输出功率，这不能满足电子设备的稳定供电要求。因此，需要一个高效的电源管理电路作为 TENG 和外部负载之间的接口单元以促进阻抗和电压转换，实现高效的能量传输和存储。在过去的几年里，已经提出了几种电源管理的策略，如电感和电容变压器、开关电容转换器和MOSFET 电源转换器，它们可用于电压调节、阻抗匹配和效率提高。引入电感变压器是降低电压和TENG 输出阻抗的一个有效策略。它通常由一个整流器、电容器、一个调节器和一个电磁变压器组成。然而，电感变压器相对较大，需要较高的工作频率。因此，这些变压器更适合于基于旋转模式的 TENGs 应用。相反，电容式变压器与 TENGs 的工作频率无关。此外，电容式变压器可以降低开路电压并多次提高TENG的转移电荷。同样，基于MOSFETS和电容器的开关电容器转换器(SCC)具有易于集成的能力，可以通过切换串行到/并行连接有效地进行降压或升压转换。SCC 具有几个固有的优点包括无磁铁、重量轻和提供高转换效率，这相当适用于无线传感器网络直流微电网、电动汽车、太阳能光伏系统等。然而，由于二极管的导通压降，电容器的数量不能无限增加，这限制了开关式电容器的转换比例。电源管理策略的第一步是最大限度地将能量从TENG 转移到后端电路。第二步是通过增加各种电路元件来降低电压和增加电流，为传统的电子产品供电。为了实现能量的最大传输和直流转换，开关的顺序控制是最重要的。为了实现 TENG 的优化自主开关，开关可以由一个逻辑电路(如微功率电压比较器)和一个MOSFET 实现。由于这个原因，内部电阻减少了，高能量可以从TENG 中提取并转移到后端电路。
在第6 节中，概述了 TENGs 作为电源的应用，包括机器人、生物医学和环境应用以及自供电感应，包括触摸、触摸位置、接近和裂缝感应。自 2012 年论文发表以来的十年间随着人们对 TENGs 的关注，TENGs 的研究领域在电能产生方面得到了明显的发展。TENGs产生的电能表明了 TENGs作为动力源用于机器人驱动、生物医学康复和环境净化等各种应用的可行性。此外，在应用触摸和目标移动下产生电信号的特性使TENG可以作为自供电的传感器使用。然而，由于缺乏功率密度和电气稳定性，电源和自供电感应能力仍处于概念验证阶段。为了实时驱动实用的机器人，TENGs 的功率转换效率需要改进。与电池和商业电源相比，现有的TENGs 还不能提供足够的功率。此外，为了实现基于TENGs 的理想的自供电传感系统，整个设备需要使用三相电源进行操作，而不需要依赖外部电源来覆盖数据采集和处理。相信，提高发电密度将是一个关键的、具有高影响力的方向。
作为有前景的发电平台之一，自2012 年提出以来，TENGs 在多个工程领域得到了蓬勃的发展。详细来说，TENGs 使我们实现了广泛的应用，可以分为四个领域: 微纳米电源、自供电传感、高压 (HV)电源和电刺激。到目前为止，设计创新和性能提升一直是 TENGs 的主要研究领域。最近，在世界各地研究人员的努力下，相关技术已经非常成熟，因此，它已经达到了原型开发的阶段，并在实际驾驶环境中验证了性能，超越了实验室规模的环境，走向商业化。
与以前在TENG 发展的早期阶段提出的技术路线图相比，已经取得了相当大的技术进步，它对推进路线图中的成就时间表产生了影响。例如，自供电的植入式电子装置、智能和低功耗的人机界面(HMI)、体外生物健康监测、个人保健保护、通过TENG 的运行进行空气质量控制，这些都是预计在未来实现的，但由于出乎意料的快速技术进步，在这一点上已经得到了实现。这种加速的技术进步表明，目前的 TENGs 离商业化又了一步，并且进一步预计 TENGs 将在不久的将来作为一个关键的解决方案，以配合碳减排以及与能源相关的环境问题，这些问题目前在世界范围内是至关重要的。
文献链接
Recent Advances in Triboelectric Nanogenerators: From Technological Progress to Commercial Applications
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12458
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