自2006年纳米发电机问世以来，基于压电效应、热电效应和摩擦电效应的各类纳米发电机层出不穷。在这些纳米发电机中，摩擦纳米发电机（TENGs）因其高效率和简单的制造工艺而备受人们关注。目前，TENGs可用于为小型电子设备供电，并能建立起各种自供电系统。近年来，可互动的智能电子玩具愈发展现出市场前景，但当前大多玩具是依靠电池供电，具有不环保和不安全的缺点。为了避免电池的频繁使用，探索基于TENGs的智能玩具可以成功地让玩具摆脱对电池的依赖，具有重要的意义。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、曹霞研究员等人设计了一种基于二阶魔方的摩擦纳米发电机（SRC-TENG），其能收集魔方的内部滑动能进行发电。基于X、Y、Z方向形成的不同电流信号，还可以追踪魔方的运动轨迹。该SRC-TENG的最大开路电压和短路电流分别可达35 V和1.45 µA，足以点亮数十个发光二极管 (LED) 并为商用电容器充电。此外，基于该SRC-TENG的智能玩具可以作为自供电传感器应用于智能家居，其具有替代目前依靠电池供电的电子玩具的巨大潜力，这为下一代商用玩具开辟了新的道路。该研究以题为“Rubik-Cube-Based Self-Powered Sensors and System: An Approach towardSmart Toys”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【SRC-TENG的结构与机制】
作者设计了基于二阶魔方旋转滑动的SRC-TENG。铝和氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)分别用作电极和摩擦起电层。作者在上下魔方之间嵌入了摩擦电性差异较大的Al和FEP（图 1a），以此来收集旋转滑动的动能并将其转化为电能。SRC-TENG的基本原理是摩擦起电和静电感应的耦合，其在旋转滑动模式下的工作机制如图2所示。在人的外力作用下，金属电极Al和薄膜FEP表面产生致密电荷。由于材料中得失电子的不同，摩擦起电使Al表面带正电，而FEP表面带负电荷。当上半部带正电荷的魔方顺时针旋转向外滑动时，会产生上下魔方滑块之间的电位差，导致上半层中滑块的Al电极的电位增加。同时，电子从上电极流向下电极，因此在外电路中产生电流，实现了电能的转化。
图1SRC-TENG的基本结构和电输出
图2 SRC-TENG的工作机制和电势分布
【SRC-TENG的输出性能】
当魔方旋转时，SRC-TENG能基于不同旋转速度产出不同的电输出（图3a）。在低速旋转时，电压和电流相对稳定，开路电压最高可达24 V，短路电流最高可达0.6 µA。在高速旋转时，其开路电压和短路电流分别可达到 35 V 和 1.45 µA。作者研究了不同接触面积对SRC-TENG输出性能的影响。结果表明，接触面积与SRC-TENG的输出成正比。作者将旋转直流电阻箱作为外部负载，研究了SRC-TENG的最佳负载和峰值功率。结果表明，当负载电阻从0.08增加到1111.11 MΩ时，电流呈下降趋势，而电压不断增加，直到达到最大电压14.0 V。随着外部负载电阻的增加，在负载电阻为0.6 MΩ时，SRC-TENG出现峰值功率6.936 µW。
图3SRC-TENG在三种不同速度下的输出性能比较
【SRC-TENG的应用研究】
作者将SRC-TENG产生的电信号经过整流桥整流，然后用于为商用电容器充电（图4a）。作者选择了不同容量的商用电容器进行储能，结果表明SRC-TENG在实际应用中可作为可靠的电源。作者通过旋转SRC-TENG将机械能转换为电能，用于点亮由24个商用LED串联形成的立方体图案（图4b）。此外，由SRC-TENG 储存在电容器中的电能可以驱动电子手表 18 秒、驱动一个商用计算器20 秒。作者还将基于SRC-TENG的智能玩具充当无线智能开关，并应用于智能家居。智能开关系统是通过将家具连接SRC-TENG来实现的。通过SRC-TENG 可以控制心形灯板的照明图像（图4e），还可以对台灯进行控制，实现了家具的智能开关（图4f）。
图4SRC-TENG的应用实验
视频 控制台灯的智能开关
总结：作者首次介绍了一种基于二阶魔方的摩擦纳米发电机，其开路电压和短路电流分别可达到35 V和1.45 µA，足以点亮商用LED。产生的电能还可以存储在电容器中，以驱动手表和计算器等低功耗便携式电子设备。此外，基于SRC-TENG的智能玩具可以作为智能家居中的无线智能开关，这为开发下一代商用智能玩具提供了一种新方法。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107099
来源：高分子科学前沿
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