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)對外展示。這也意味著，未來每個(gè)人都是“移動(dòng)電源”，可以對手機(jī)進(jìn)行“自充電”。

日前，筆者在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所(以下簡稱“中科院納米能源所”)的展廳里，見到了這種全新能源供給模式。只見工作人員拿起一個(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，但沒什么人知道可以用來發(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)帶來動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對機(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)非常簡單、輕巧，用來產(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，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，腳部對鞋底的按壓或腿的晃動(dòng)等動(dòng)作就會(huì)通過摩擦發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電流，將這些電流收 集起來并通過電池進(jìn)行存儲(chǔ)，就實(shí)現(xiàn)了對電池的充電。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 種充電過程無需人們額外做功，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簡單的材料更換或者在材料表面制備納米涂層來控制和改善，還可以通過化學(xué)方法對其表面進(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。在這一過程中，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)的過程中，電極之間的電荷轉(zhuǎn)移量可以通過 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。

因此他們設(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。