五院院士，王中林教授领衔，76位学者，133页ACS Nano长文综述！

为了减少碳排放并缓解能源紧缺的问题，可再生能源收集技术有望在不久的将来成为解决问题的关键。其中，摩擦纳米发电机（TENGs）是最有前途的能量收集技术之一。其能通过接触带电现象，将大量浪费的机械能收集起来并重新利用。 由于具备通用性、设备简单、加工成本低和材料选择方面的诸多优势，基于TENG的能量收集技术正在爆炸式地发展 。自2012年报道以来，研究者们已在基本理论和应用方面取得了重大成果。现如今，该技术已进入原型开发阶段，并在实验室规模之外的环境进行性能验证，以实现商业化。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所 王中林院士 、 韩国成均馆大学 Dukhyun Choi 、 Jeong Min Baik 等人 总结了TENG技术在理论、材料、设备、系统、电路和应用方面的最新进展 。 作者相信世界各地该领域的研究人员在过去十年中取得的巨大研究成果将在未来十年推动TENG商业化方面发挥重要作用。该综述以题为“Recent Advances in Triboelectric Nanogenerators: From Technological Progress to Commercial Applications”的论文发表在《ACS nano》上。

【TENG中的摩擦起电材料】

作者回顾了一系列摩擦起电材料，介绍了从物理接触期间两种材料表面发生的电荷转移机制的基本原理到关键材料的设计策略，以最大限度地提高在表面上产生的电荷密度。为了增加电荷密度，等离子处理、中性束辐照、紫外线/臭氧处理、化学功能化等化学表面改性也是提高摩擦纳米发电机输出性能的好方法。除了表面改性外，材料的介电常数、机械性能等改性也会显著改变TENG的性能。除了表面和本体修饰外，通过电子捕获层和电子阻挡层/功能夹层进行的中间层工程也是增加TENG输出的一种很有前途的方法。

图1 摩擦材料的电子转移模型

【TENG器件】

作者概述了按工作模式类型细分的TENG器件。尽管最近取得的令人瞩目的进展证明了它们作为一种微型能量收集器的潜力，但该领域仍处于早期阶段，而且这些设备还远未用于产生能量的实际应用。此外，传统TENG的交流脉冲型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，对产生直流电的TENG的研究得到了高度重视。虽然在现实生活中利用TENG是一个有吸引力的研究方向，但它仍然需要相对较高的输入频率才能获得有用的高功率。因此，作者预计需要探索最小化TENG产生稳定高输出能量的策略，以确保TENG器件在未来得到广泛的实际应用。

图2 TENG器件

【TENG的机械系统设计】

考虑到输入能源的机械特性，作者回顾了基于TENG能量采集器的各种机械设计。特别是一些特制的机械能量采集系统，其可以采集各种输入能源，如海洋波浪能、风能、生物机械能和振动能等。为了了解能量收集器的综合机械设计准则，作者解释了基于TENG的机械系统，其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，来放大、缩小甚至调制输出频率。此外，作者还详细介绍了谐振系统，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。因此，本综述根据输入能源的特点提供了机械设计指南，从而大大促进能量收集器在未来的实际应用。

图3 机械TENG系统设计

【TENG的电源管理系统】

作者介绍了电源管理的电路设计。由于阻抗不匹配，TENG在直接为传统电子设备供电或为储能设备充电时通常表现出低能量传输效率，不能满足电子设备稳定供电的要求。因此，需要一个高效的电源管理电路作为TENG与外部负载之间的接口单元，以促进阻抗和电压转换，从而实现高效的能量传输和存储。在过去的几年中，已经提出了几种电源管理策略，例如电感和电容变压器、开关电容转换器和MOSFET功率转换器，它们可用于稳压、阻抗匹配和提高效率。电源管理策略的第一步是最大化从TENG到后端电路的能量传输；第二步是通过添加为传统电子设备供电的各种电路元件来降低电压并增加电流。为了最大程度地传输能量和进行直流转换，开关的顺序控制至关重要。此外，为了让TENG实现优化的自主开关，可以通过逻辑电路和MOSFET来实现开关。

图4 TENG的电源管理系统

【TENG的应用】

作者概述了TENG作为电源的应用。TENG产生的电能可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。此外，在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，TENG的功率转换效率需要改进。对此作者认为，提高发电密度将是一个关键的、有前景的方向。

自2012年提出以来，TENG已在多个工程领域得到了蓬勃发展，如微纳米电源、自供电传感、高压电源和电刺激领域。到目前为止，设计创新和性能提升一直是TENG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，甚至已经达到了原型开发阶段，并在实际应用环境中验证了性能，超越了实验室规模的环境，走向了商业化。

图5 TENG的应用

结语： 现阶段，TENG的发展速度与在发展初期提出的技术路线图相比，已经取得了长足的技术进步。这种爆炸式的技术进步表明当前的TENG离商业化又近了一步，并且可预计TENG将在不久的将来会成为解决碳减排以及当前全球能源问题的关键解决方案。

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