随着人类社会的进步，全球能源的需求与日俱增，寻找高效、清洁的能源供应方式变得越来越重要。收集环境中的高熵机械能成为一种行之有效的方式。基于摩擦起电和静电感应的耦合作用的摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型能源装置，可有效收集环境中的高熵机械能[1],如风能[2]、水能[3]、人体运动能[4]等，并最终转换成电能。与传统的电磁式发电机相比，TENG具有体积小、成本低、样式多等特点，因此更加适合作为分布式能源收集技术的解决方案。在众多的TENG结构设计中，旋转结构TENG(R-TENG)可将环境中无序的机械能转换成有序的旋转运动，进而转换成稳定的电能输出，因此具有广阔的应用前景。

1、R-TENG的工作原理与工作模式

2012年，Z.L.Wang课题组[1]基于接触生电和静电感应原理发明了TENG,其具有四种基本工作模式，包括垂直接触-分离模式[5]、平面滑动模式[6]、单电极模式[7]和独立层模式[8-9],如图 1所示。为更好地收集环境中的机械能，研究人员基于上述四种工作模式，开发了许多新型R-TENG结构。

图1 摩擦纳米发电机的传统工作模式[5-9]

2、R-TENG的结构形式

2.1 柔性接触的导电刷式R-TENG

在R-TENG设计中，采用导电刷结构是一个有效避免TENG回路中导线因旋转运动发生缠绕的解决方案，基于该结构发展了多种柔性接触结构，如盘式结构[10-11]、同轴圆柱型结构[12]以及盘式/圆柱复合结构[13]。2013年，L.Lin等人[10]设计了如图 2(a)所示的分段式转盘TENG用于旋转机械能收集，图中PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯。该转盘TENG由定转盘与动转盘组成。转盘由四组扇形的滑动模式TENG串联而成，导电的动转盘与转轴相连，底部感应电极通过导电刷与转轴进行柔性接触，形成回路。

图2 柔性接触的导电刷式R-TENG[10,14]

导电刷结构设计可以替代电子元器件整流桥，有效避免电子元器件引起的输出能量损耗。2014年，C.Zhang等人[14]设计了图 2(b)所示的直流TENG(DC-TENG),它由两个圆盘和两对柔性电刷组成。图中I为电流。聚氯乙烯(PVC)的尾部与铝电极的形状相同，一对电刷分别安装在 PVC 的两侧，工作时，每对电刷交替与铝箔外露的圆形边缘部分接触。这种设计不仅有利于电荷分离发电，而且还有助于利用可移动电刷进行直流发电。2020年，D.Liu等人[15]设计了基于悬臂梁机械整流器式的单向电流式TENG(UC-TENG),利用固定在定子框架处的悬臂梁将电极组之间以欧姆接触的形式结合。

2.2 基于接触-分离式TENG的R-TENG设计

电极材料间发生周期性接触分离是另一种提高器件工作稳定性的方法。2017年，J.G.Qian等人[16]设计了跷跷板式TENG,其以一定距离放置在两个圆盘的顶部，在每个圆盘的侧面有一个永磁体，由于旋转系统的磁耦合作用，跷跷板结构实现了周期性旋转运动能量收集。在上述研究的基础上，2018年，K.Li等人[17]将垂直接触-分离模式和横向滑动模式相结合设计了一种R-TENG。2020年，X.Y.Li等人[18]研制了一种多整流器多纳米发电机并联装置(MRM-TENG),如图3所示，图中FEP为氟化乙丙烯。该MRM-TENG由多个旋转接触-分离TENG(RCS-TENG)和整流器组成。RCS-TENG的定子由均匀分布的环形结构电极构成，转子由几个推杆构成。在机械能的驱动下，MRM-TENG利用相位差干涉波的原理，有效地降低了输出电流的峰值因子，提高了电流的有效值。相似结构的还有2022年S.Z.Liu等人[19]设计的具有涡状柔性叶片的旋转式TENG(VFR-TENG)。

图3 基于接触-分离式TENG的R-TENG[18]

2.3 基于独立层式TENG的R-TENG设计

独立层式TENG中介电层相对于电极独立，因此常将介电层设计成活动部件。2014年，G.Zhu等人[8]研制了一种多层结构的独立层式旋转结构TENG(TEG),如图 4(a)所示， 图中PS为聚苯乙烯。该设计结构简单，可产生高达1.5 W的输出功率并且能量转换效率达到24%。2015年，C.B.Han等人[20]设计了一种基于印刷电路板(PCB)技术的高功率独立层式TENG。两个基于PCB制作的转盘同轴安装，定子的环氧树脂基底上有两组环形排列的均匀的扇形铜光栅，在定子表面附着Kapton薄膜作为介电薄膜以提高起电效率，以聚四氟乙烯(PTFE)转盘为柔性基底，最大功率密度达到 67.6 mW/cm2。采用了类似结构的还有2016年X.Wang等人[21]开发的六层结构的混合型纳米发电机(HNG)。2018年，Y.Wu等人[22]研制了一种热电混合TENG(TTENG)。2019年，Z.Y.Wu等人[23]提出了一种圆柱形自供能多功能传感器(MS),可将平移运动转化为低阻尼磁筒(MC)的摆动或多圈旋转运动，从而驱动电极产生1.75 V的开路电压和70 nA的短路电流。

图4 TEG、DLS-TENG和RC-TENG示意图[8,26,28]

由于传统独立层式摩擦纳米发电机在运行过程中伴随着磨损，从而影响TENG的使用寿命。为解决摩擦磨损问题，研究人员开展了大量研究。研究人员首先想到的是液体润滑剂，经过实验证明，液体润滑剂对TENG的电输出具有显著提高作用。2020年，L.L.Zhou等人[24]提出了一种旋转滑动模式TENG(FS-TENG),FS-TENG在摩擦界面上加入100 μL角鲨烷作为液体润滑剂，以1.5 Hz的频率滑动，最大功率密度是未使用润滑剂装置的1.5倍，达到3.45 W· m-2·Hz-1。2021年，S.H.Chung等人[25]设计了一种液体润滑剂浸没式独立层式TENG(LLS-TENG)。2021年，J.Chung等人[26]研制了基于液体润滑剂的自运行开关TENG(DLS-TENG),如图 4(b)所示。采用相似结构的还有2024年Z.R.Zhao等人[27]研制的带有润滑脂的旋转独立式TENG(RF-TENG)。

电荷泵浦方式是研究人员用来减少磨损的另一有效方法。电荷泵浦方式是通过外部高压TENG作为高压源向主TENG的感应电极注入感应电荷，从而用感应电荷代替摩擦电荷的一种方式。2020年，Y.Bai等人[28]设计了一种旋转式电荷泵浦TENG(RC-TENG),如图 4(c)所示，图中EP为向主TENG提供束缚电荷的泵送TENG电极，ES为在主TENG旋转器上存储束缚电荷的电极，E0为在主TENG定子上输出电能的电极。该设计主要由两个部分组成：泵浦TENG和主TENG,每个部分都有两个圆盘。这两个圆盘构成了泵浦TENG,其作用是通过电荷泵将电荷注入到主TENG的浮动导电层上。主TENG的结构与泵浦TENG类似，只是PVC和铝箔的形状略有不同，以适应不同的摩擦模式。采用类似结构，2022年S.K.Fu等人[29]设计了一种旋转水动TENG(CEMA-TENG)。在此研究基础上，2024年X.P.Fu等人[30]提出了一种基于轴承电荷泵送的R-TENG,在300 r/min转速下的匹配瞬时功率提高了32倍，同时表现出极好的耐久性。2023年，S.B.Lv等人[31]则设计了一种软接触共面TENG(SCC-TENG)。

柔性接触也是学者们普遍选择的一种减小摩擦损耗的方法，包括采用柔性结构、动物毛皮、水等新型材料。2018年，P.H.Wang等人[32]设计了一种超低摩擦的摩擦电-电磁混合纳米发电机(NG),如图 5(a)所示。当风杯结构驱动中心轴，定子与转子产生相对滑动，产生电学输出，通过弹性叶片与铜箔电极进行柔性接触，可有效进行电能的收集。采用相似结构的还有2018年J.Cheng等人[33]设计的一种由两个串联独立FR-TENG直接驱动的大气压非平衡等离子体射流(APNP-J)方案，2020年P.S.Rui等人[34]设计的一种圆柱形摆动式TENG(CP-TENG),以及2021年J.H.Chen等人[35]设计的高输出性能软接触独立式TENG (FR-TENG)。

图5 柔性接触结构的R-TENG[32,38,41]

动物皮毛具有高耐磨、可降解和电性能好的优势，由于其在机构连续运转过程中可与电极材料保持低摩擦状态，故可以确保TENG机构的电输出[36]。在2021年P.F.Chen[37]等人设计的R-TENG基础上，2022年，J.J.Han等人[38]研制了一种基于兔毛的风力驱动软接触旋转TENG(SCR-TENG),如图 5(b)所示，该SCR-TENG采用分段结构，用于收集低速风能。SCR-TENG采用兔毛作为典型的摩擦电材料，轴-轴承结构将风杯收集的风能传递给TENG,将捕获的机械能转化为电能。与硬接触TENG结构相比，SCR-TENG在相同扭矩和转速下具有更多的转移电荷、更高的输出性能和更优异的耐用性，可更好地利用环境中的弱离散动能，机电能量转换效率达15.4%。2023年X.L.Cao等人[39]和D.H.Yang等人[40]设计的R-TENG均采用了类似结构并使用了兔毛材料作为摩擦层材料。

水在自然界储量丰富，是一种低成本、环保的材料，以水作为摩擦层材料制作对应的能量收集转换装置，不仅能有效降低摩擦过程的损耗，也会对环保事业产生巨大的促进作用。T.Kim等人[41-42]设计了基于水电化和旋转惯性的旋转水TENG,如图 5(c)[41]所示，以水作为摩擦层材料，水与圆筒内表面的铝电极接触分离时产生静电感应。基于旋转水TENG制作的便携式手动驱动装置具有高效、低成本、结构简单的特点。C.D.Le等人[43-44]设计的旋转结构TENG均采用类似结构并使用水作为摩擦层材料。

除此以外，非接触结构与模式切换也是减少摩擦磨损的常用手段。2014年，L.Lin等人[45]提出非接触式自由旋转盘形TENG(FRD-TENG)(图 6(a)),该装置主要由自由旋转的FEP薄膜和固定的铝箔构成，选用FEP和Al作为摩擦电层，驱动FEP薄膜旋转，与铝箔之间产生相对旋转诱导的电势差。在这种模式下，当FEP和Al垂直距离为0.5 mm时，该装置开路电压高达220 V,可点亮100个串联的发光二极管(LED)。2020年Z.B.Wu等人[46]、2021年Q.Y. Li等人[47]、2021年H.Q.Feng等人[48]对该模式进行了优化，其中H.Q.Feng等人优化的装置点亮了1 000个LED。

图6 非接触结构与模式切换的R-TENG[45,49]

2020年，J.Chen等人[49]设计了一种自动切换工作模式的TENG(AMT-TENG),如图 6(b)所示，图中PU为聚氨酯。AMT-TENG由三个同轴安装的部件组成，通过旋转运动中产生的离心力来实现接触和非接触工作模式之间的自动切换，因此AMT-TENG具有高稳定性和大输出密度的优点。2021年H.Zhou等人[50]提出的双模旋转TENG采用了类似结构。2022年Y.J.Luo等人[51]通过凸轮开关降低和提高定子轴的高度，实现接触模式和非接触模式的切换，在连续工作80 h后仍能保持90%的电力输出，显示出优异的电气稳定性。此外，2023年Z.B.Xu等人[52]提出的主-次TENG(PS-TENG)采用相应机构实现接触模式和分离模式的切换。

2.4 基于恒流式TENG的R-TENG设计

恒流式TENG多采用相位叠加的方式达到稳定的恒流输出，如H.Ryu等人[53]、J.L.Wang等人[54]、M.Li等人[55]设计的R-TENG。2018年，H.Ryu等人[53]提出的多相旋转式TENG(MP-TENG)如图 7所示，五相TENG分别产生380 V的输出电压、3.6 mA/m2的电流密度和4.9 W/m2的功率密度，电流峰值因子显著降低至1.26。2020年，J.L.Wang等人[54]设计了具有三相五组的圆柱形直流TENG,该TENG的电流峰值因子为1.08,充电效率提高了近三倍。2020年Z.H.Zhao等人[56]、2021年Y.K.Gao等人[57]基于空气击穿效应，设计了具有微结构的直流TENG(MDC-TENG),电荷密度高达约5.4 mC·m-2,实现了器件的小型化和高输出性能。2022年，M.Li等人[55]设计的基于相位差的恒流直流TENG(CDC-TENG),电流峰值因子为1.05,电流密度高达3 021 μA·m-2。

图7 基于恒流式模式的R-TENG[53]

3、R-TENG的应用

对于风能和海洋能的直接能源收集是R-TENG的一个主要应用领域。2018年，G.G.Cheng等人[58]设计了一种基于摩擦起电和静电感应效应的风能发电机，在300 r/min转速下，一对摩擦元件的功率密度和电流密度分别可达347 mW·m-2和6.13 mA·m-2。2021年，X.P.Fu等人[59]设计了一种基于行星滚动TENG(PR-TENG,如图 8(a)所示)的风能驱动的自主无线风速计(W-WA),可在低于2 m/s的风速下启动，在5 m/s风速下，该W-WA每2 min可自主传输10 m范围内的风速数据，此时PR-TENG的开路电压如图 8(b)所示。2022年L.X.He等人[60]研制了一种双模式TENG,可以同时收集风能和监测风速。

图8 用于收集风能和海洋能的R-TENG[59, 61]

2019年G.L.Liu等人[61]设计了一种收集海洋能的椭球形TENG(OS-TENG),如图 8(c)(图中PLA为聚乳酸)所示，上部TENG能产生281 V的开路电压，如图 8(d)所示，可为商用电容器充电。2020年N.Zhang等人[62]设计了一种水轮式TENG(H-TENG),在4 L/min的水流速度下，其开路电压达1 670 V。2021年C.Rodrigues等人[63]研制了一种单电极模式的新型海洋波浪能TENG。2021年，P.F.Chen等人[64]设计了一种三明治结构的毛刷TENG(FB-TENG)。2022年，Y.H.Yang等人[65]设计了一种重心自适应TENG。这些TENG都可以实现海洋能与热能的高效转化。

R-TENG的另外一种能量收集形式是通过二级机构转换，将机械结构的机械能间接转化为电能进行输出。2018年，I.W.Tcho等人[66]提出了一种基于旋转滑动模式的TENG。2019年T.H.Cheng等人[67]将凸轮和可移动框架相结合，制备了基于凸轮和可移动框架的TENG(CMF-TENG),如图 9所示，图中ABS为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。其在触发转速为60 r/min时，一个亚单元平均输出电压约为200 V,短路电流约为2.9 μA,转移电荷约为96 nC。2021年G.F.He等人[68]设计了包含能量收集和存储模块、能量可控释放模块以及能量转换模块的恒输出TENG(CO-TENG),在低频随机机械刺激下，CO-TENG能稳定连续地产生550 V开路电压、6 μA短路电流和190 nC的转移电荷。2022年，Y.S.Gai等人[69]设计了一种健身陀螺式TENG(FG-NG),可在220～230 Hz频率下连续稳定输出17 mA电流和70 V电压。

图9 基于二级机构的R-TENG[67]

近年来，将磁感应发电机、太阳能发电机与摩擦纳米发电机集成的混合式发电机得到较多的研究。电磁混合发电通常采用将R-TENG和电磁发电机(EMG)相结合的形式，实现各自优势互补，可有效提高电输出水平。2020年，L.Liu等人[70]设计了一种基于摩擦-电磁混合发电机的混合型蓝色能量收集器，如图 10(a)所示。磁铁可以在摆锤结构内滚动，从而驱动交叉电极TENG(I-TENG)、开关TENG(S-TENG)和EMG产生电流。采用新设计的混合电路，在100 Ω负载下输出功率可达95.4 mW,摆角为90°时的输出电压如图 10(b)所示。2020年，Zeeshan等人[71]设计了一种热磁发动机。2021年，N.D.Huynh等人[72]设计了一种利用特斯拉涡轮驱动的TENG-EMG混合发电机(T3-E)。2021年J.X.Zhao等人[73]设计了一种混合式风能收集器(TEHG)。2022年C.B. Men等人[74]设计了一种棉花辅助的双转子-定子TENG(SFC-TENG)。组装后的SFC-TENG具有良好的输出性能，开路电压为2 500 V,短路电流为85 μA,最大输出功率为80 mW。2022年L.Fang课题组[75]则研制了一种基于TENG和EMG耦合的自供能振动传感器。

图10 基于电磁混合与太阳能混合的R-TENG[70,76]

2018年R.Cao等人[76]设计了一种基于摩擦-光伏混合纳米发电机的自供电灯笼，如图 10(c)所示，图中ITO为氧化铟锡，DSSC为染料敏化太阳能电池，SLB为软锂电池。该混合型TENG在转速200 r/min、光强2 mW时的短路电流约为150 μA,其输出电压和电流如图 10(d)所示。2019年H.M.Yang等人[77]设计了一种混合型TENG,其独特的“之”字形多层结构显示了优越的鲁棒性，并实现了最大峰值功率达22.5 mW。2022年R.H. Xia等人[78]设计了一种棉花组装的转盘式TENG(C-TENG)。2022年Z.X.Wang等人[79]设计了一种基于高性能TENG的混合能量收集器(HEHD),在7 m·s-1风速下，TENG和EMG的开路电压和短路电流分别可达近570 V、 40 μA和0.8 V、1.85 mA。2024年H.Park等人[80]设计了一种基于多能源的自供能颗粒物收集系统，在600 r/min的转速下，该系统的输出电压和电流分别达到157.5 V 和4.75 μA。

2018年，K.Zhao等人[81]提出了一种基于R-TENG引发的气体放电的自供电CO2气体传感器，如图 11所示，它主要由两个放电电极和一个R-TENG组成，当两电极之间的距离超过最大值时，TENG诱导的负压下气体放电将消失。传感器可在交流、正、负电压下工作，负压时气体放电性能最佳。2021年，J.W.Tian等人[82]设计了一种基于刷状TENG的自供能室温乙醇传感器(BS-TENG),实现了在室温下检测乙醇的全自供能系统。WO3气体传感器两端BS-TENG的电压降与气体体积分数呈正相关，而乙醇在体积分数5×10-6～100×10-6范围内的变化可以通过输出信号来区分。2023年，T.S.Liu等人[83]则设计了一种基于气体放电的惰性气体传感器。

图11 基于R-TENG的自供电CO2气体传感器[81]

2016年，X.H.Li等人[84]研制了一种滚动摩擦发电的TENG,如图 12所示，利用PTFE球在铜叉指电极之间的滚动摩擦，将旋转动能转化为电能。实验中发现PTFE球的直径、数量和旋转速度对输出电信号有显著影响，可以有效收集旋转动能。2022年，Q. K.Han等人[85]提出了基于预弯膜的圆盘形TENG(PM-TENG),其输出电流可用于旋转机械的典型故障诊断(包括外故障(OF)、内故障(IF)和球故障(BF)),识别精度超过92%,仅略低于基于振动信号的分类精度。相关研究工作还有X.Jin等人[86]提出的旋转磁球TENG,能够为无线报警系统提供电源，对输电线的温度、倾角进行检测、显示以及监测等。

图12 用于损伤检测的R-TENG[84]

2015年，J.Chen等人[87]研制了磁辅助自动转换TENG(AT-TENG),工作时转子在风能、水能等环境机械能的驱动下旋转，可产生450 V的开路电压。基于该原理，还开发了一种自供电速度计，用于测量实时转速和行驶距离，如图 13所示。2017年，J.Chen等人[88]设计了一种圆柱形的全封装混合式发电机(CS-TENG),可以产生240 V的开路电压和7.5 μA的短路电流。同时，该设备还可用于收集汽车轮胎的旋转能量，驱动无线传感器监测温度、湿度、速度以及轮胎压力。2021年L.Jin等人[89]研制了带有轮胎结构的自由固定TENG(FF-TENG),在200～1 400 r/min范围内通过快速傅里叶变换(FFT)分析，得到频率与实际转速呈线性关系，显示器件在轮胎转速检测方面的优越性。此外，由于R-TENG高分辨率特点，其在速度检测、脉冲计数等领域具有重要的应用前景[90-93]。

图13 用于速度检测的R-TENG[87]

4、结语

信息化时代的到来催生了对分布式微小能源器件与自供能传感器的大量应用需求，基于摩擦起电与静电感应原理的摩擦纳米发电机具有制造工艺简单、成本低等特点而成为优选器件。旋转结构式TENG具有较高的电学输出和较宽的工作带宽，是一种有效的分布式能源解决方案，作为一种多功能、绿色、高效的能源装置，在未来有着广阔的应用前景。近年来，越来越多的研究者将绿色可再生能源应用于旋转结构TENG中，使其成为一种强大的能源装置。

然而，目前旋转结构TENG依然面临巨大的挑战。虽然摩擦发电研究团队众多，发电机的种类也很多，但是产业化的还很少，原因主要有以下几个方面：①摩擦纳米发电机作为一个新型的机电产品，需要综合考虑材料、结构、功能一体化等方面，这对创新型人才的学科背景提出了挑战；②虽然摩擦纳米发电机输出电压比较高，但由于其较高的内阻，导致其输出功率较低，难以与现有的风力发电、光伏等新能源发电形式相媲美；③尚无成熟的制造设备，器件的可靠性和寿命有待进一步提高。

尽管如此，旋转结构TENG的研究发展迅速，未来的发展趋势明显，包括以网络形式集成多个TENG用于直接或间接收集海洋能、基于旋转结构TENG的自驱动传感微系统的一体化集成、为小型移动设备供电的微纳电源等都需要进一步的研究。此外，将旋转结构TENG与电磁/太阳能结合以提高电输出也是有效的复合形式。

总的来说，虽然旋转结构TENG还面临着一些挑战，但其在能源采集和自驱动系统等领域的应用前景广阔，作为一种新型能源获取方式，若能解决上述问题，有望在未来的分布式能源、自供能传感和海洋开发等领域发挥重要作用。同时，随着相关研究的深入，旋转结构TENG将会对未来的技术进步产生巨大的推动作用。

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基金资助:国家自然科学基金(52275191); 江苏省农委自主创新项目(CX(20)2024);

文章来源:陈云飞,雷锐,金哲林,等.旋转结构摩擦纳米发电机的材料､结构及应用研究进展[J].微纳电子技术,2024,61(10):7-20.