克萊姆森（Clemson）大學納米材料研究所（CNI）的科學家和學生研究團隊最近開發出了一種無線充電技術，可以將機械能轉化為電場，為3米范圍內的電池或電容器充電。

最近在《先進能源材料》上發表的一篇文章《A Wireless Triboelectric Nanogenerator（一種無線摩擦納米發電機）》揭示了一種利用摩擦生電效應的器件——摩擦生電是指一種材料在摩擦接觸另一種不同材料時變得帶電的現象。

當受到持續的機械運動（如手指敲擊）激勵時，這種無線摩擦納米發電機（W-TENG）就可以產生高達2,000V的輸出電壓，峰值功率達到70mW，這足夠為現代物聯網（IoT）應用中的大多數無線傳感器節點供電了。

摩擦納米發電機（TENG）的演進

摩擦生電并不是什么新鮮事——我們在日常生活中都會經歷到某種形式的摩擦生電，比如梳頭發會產生靜電，在地毯上摩擦鞋子，甚至在頭上摩擦氣球也會產生靜電。這種現象早在18世紀就有文獻記載——瑞典物理學家約翰·卡爾·維爾克（Johan Carl Wilcke）在1757年發表了第一篇關于摩擦生電的論文。然而直到最近，業界才開始進行大量研究，在無線傳感器網絡（WSN）中利用TENG來實現能量采集。

這項技術有可能采集環境中耗用的免費能量——例如人們行走時的振動、手壓和機械振動等——并將其轉化為可持續的微型電源，為不斷激增的數百萬計的傳感器節點供電。功耗和電池壽命是無線傳感器節點大量部署的主要難題。這就是LPWAN技術如此受歡迎的原因——它具有長達10年的電池壽命，而且能夠遠距離傳輸數據。但是，若能夠在其使用壽命期間始終持續保持電池充電，那就更加理想，因為這樣就可以大大降低電池充電和更換的成本。能量采集對于傳感和傳輸設備不能離線的應用場合特別有用，例如在醫療體域網（MBAN）應用中，需要對心臟監護室（CCU）的患者進行無線心臟監測。

無線摩擦納米發電機（W-TENG）

W-TENG可以對本地儲能設備進行無線充電，甚至直接進行簡單的電能傳輸，這將具有更廣泛的應用前景。該大學發布的一個視頻（詳見本刊網站）展示了一名學生研究人員通過敲擊W-TENG器件，可以為智能鏡子遠程供電。

“它不僅可以提供電能，還可以將電場作為啟動遙控器使用，”從事這項研究的博士生Sai Sunil Mallineni說道， “例如，你可以敲擊W-TENG，將其電場用作打開車庫門的‘按鈕’，或者可以啟動一個安全系統，這些全部無需電池，都是無源和無線的。”

W-TENG基于CNI的超簡單摩擦納米發電機（U-TENG）——它由涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和Kapton電極構成，這些材料都可以從市場上購買到。W-TENG的底部電極不是由塑料構成，而是由石墨烯和聚乳酸（PLA）的碳復合材料構成——PLA是一種可在玉米淀粉和甘蔗中發現的可生物降解的聚合物。3D印刷電極上覆蓋了一層特氟龍，用來產生摩擦生電效應。

“我們使用特氟龍是因為它有很多高度負電的氟基團，而石墨烯PLA具有很高的正電性，” Podila說， “這是一種并列和創造高電壓的好方法。” 電荷在連接的銅帶上積聚的程度足夠大，就能產生強烈的電場。

TENG有一個明顯的缺點：對于標稱功率，伴隨著高輸出電壓的是低輸出電流。通過縮小器件尺寸并將多個器件封裝在一起來在輸出端降低電壓并提高輸出電流，這樣有可能解決這一問題。當然，電源管理電路對于為電池或電容器充電是必需的。盡管如此，該技術仍將是無線傳感器網絡（WSN）中各種能量采集技術——例如熱電發電機（TEG）、壓電材料，以及光伏電池等的強有力補充。