充電新技術(shù)：一舉一動(dòng)皆能發(fā)電

行走、吹氣、拍打……一舉一動(dòng)皆能發(fā)電，這項(xiàng)全新的能源供給模式日前在中關(guān)村示范區(qū)對(duì)外展示。這也意味著，未來(lái)每個(gè)人都是“移動(dòng)電源”，可以對(duì)手機(jī)進(jìn)行“自充電”。

日前，筆者在中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院納米能源所”)的展廳里，見(jiàn)到了這種全新能源供給模式。只見(jiàn)工作人員拿起一個(gè)小塑料球，輕輕一晃，十幾盞LED燈“唰”地一下全被點(diǎn)亮了;再戴上一副粉色格子的手套，雙手輕輕摩擦、拍打，馬上就有電流產(chǎn)生;朝一個(gè)鼠標(biāo)大小的摩擦發(fā)電機(jī)輕輕吹氣，一旁的報(bào)警器立即尖叫……

一舉一動(dòng)皆能發(fā)電

“我們每人每天都會(huì)做這樣的動(dòng)作，但沒(méi)什么人知道可以用來(lái)發(fā)電。”摩擦發(fā)電機(jī)創(chuàng)始人、中科院納米能源所首席科學(xué)家王中林告訴筆者，風(fēng)力、水 力、海浪可用來(lái)作為摩擦發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源，已被人們所熟知。其實(shí)人的行走、身體的晃動(dòng)、手的觸摸、下落的雨滴這些環(huán)境隨機(jī)能源以及車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器轟鳴等也都可以給摩擦發(fā)電機(jī)帶來(lái)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械能的有效收集，產(chǎn)生電能。

摩擦發(fā)電機(jī)在2012年1月首次研發(fā)成功。王中林透露，與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式發(fā)電機(jī)和摩擦起電原理完全不同，摩擦發(fā)電機(jī)利用的是摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合，同時(shí)配合薄層式電極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電流的有效輸出。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、輕巧，用來(lái)產(chǎn)生摩擦并形成電流向外輸出的基本元件，都是僅有微米級(jí)厚度的薄膜材 料，使得整個(gè)器件具備柔軟甚至透明的特性。

手機(jī)將實(shí)現(xiàn)“自充電”

未來(lái)，人們可以將摩擦發(fā)電機(jī)安裝到鞋子上或者腿上。在人走動(dòng)的時(shí)候，腳部對(duì)鞋底的按壓或腿的晃動(dòng)等動(dòng)作就會(huì)通過(guò)摩擦發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電流，將這些電流收 集起來(lái)并通過(guò)電池進(jìn)行存儲(chǔ)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的充電。走路速度快，充電的速度就快一些，走路速度慢，充電的速度就慢一些，但是這并不影響最終的使用效果。這 種充電過(guò)程無(wú)需人們額外做功，只要按照正常的節(jié)奏做日常的動(dòng)作即可，使用將會(huì)非常方便。王中林表示，在三到五年內(nèi)將可以利用摩擦發(fā)電機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)的“自充電”。

據(jù)了解，摩擦發(fā)電機(jī)的成本很低，主要部件由有機(jī)材料和常見(jiàn)金屬構(gòu)成，而且用量極少，非常適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。其輸出性能可以通過(guò)簡(jiǎn)單的材料更換或者在材料表面制備納米涂層來(lái)控制和改善，還可以通過(guò)化學(xué)方法對(duì)其表面進(jìn)行修飾，以實(shí)現(xiàn)更豐富的功能。這給化學(xué)和材料領(lǐng)域增加了非常多的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究機(jī)會(huì)，甚至可能產(chǎn)生一些新的研究方向，并帶動(dòng)新興行業(yè)的快速發(fā)展。

小能源背后的大產(chǎn)業(yè)

雖然最初的摩擦發(fā)電機(jī)輸出功率密度僅有3.67mW/m2，但在王中林團(tuán)隊(duì)的努力下，摩擦電發(fā)電機(jī)的輸出功率極限不斷被刷新，目前最高可達(dá)500W/m2，較最初的輸出整整提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)。在這一過(guò)程中，研究人員還發(fā)現(xiàn)，摩擦發(fā)電機(jī)的兩個(gè)工作部件在相互滑動(dòng)的過(guò)程中，電極之間的電荷轉(zhuǎn)移量可以通過(guò) 材料表面有序圖案化得到極大提高，并和圖案密度呈準(zhǔn)線性關(guān)系。

因此他們?cè)O(shè)計(jì)出一種圖案化陣列結(jié)構(gòu)，使摩擦發(fā)電機(jī)的輸出功率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。最新的摩擦發(fā)電裝置由平面化的圓形定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，采用表面圖案化的摩擦層和電極層，通過(guò)旋轉(zhuǎn)式接觸的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1.5W的平均輸出功率，獲得了高達(dá)24%-50%的能量轉(zhuǎn)化率。

其最新的研究成果成功地克服了摩擦發(fā)電機(jī)輸出電流小、電壓高、難以直接給用電器有效充電的缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小型電器的實(shí)時(shí)供電。該研究結(jié)果不僅讓人們看到了摩擦發(fā)電機(jī)向產(chǎn)業(yè)化的快速奔進(jìn)，更使其從微小能源領(lǐng)域一躍躋身到有望大規(guī)模應(yīng)用的綠色新能源之列。