近年来，随着各国实现工业化，能源消耗不断增加，可再生能源的开发和利用变得越来越重要。而海洋能是一种取之不尽、用之不竭、无污染的巨大可再生能源。因此，海洋能源的开发利用，尤其是波浪能的研究可以说是海洋能源利用领域中最为重要的一项工作，今年来成为研究者们关注的焦点。然而，传统的基于电磁发电技术的波浪能发电装置在低频低振幅的海浪作用情况下，很难有效发挥发电效果。
值得一提的是，摩擦电纳米发电机（TENG）作为新一代的能源器件，能够有效地将低频和低振幅的机械能转化为电能，为从海浪能中获取能量提供了一种新的实用途径。近日，浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所纳米能源研究团队，利用生活中常见的气球制作成了可用于收集波浪能的多倍频高性能摩擦纳米发电机。这项研究发表在国际著名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。论文第一作者为浙江大学海洋学院2019级博士研究生夏克泉，通讯作者为浙江大学海洋学院徐志伟教授。
做个水气球来发电
气球是我们日常生活中常见的一种儿童玩具，向气球中注入水后，它会具有很好的弹性和可拉伸特性。同时，构成气球的PVC材料是一种具有优良摩擦电特性的介电材料。夏克泉突发奇想，是不是能够将这个特殊结构与近年来专注的纳米能源研究结合起来，利用生活中习以为常的材料发电。
▲(a) WB-TENG浮在水面的效果展示图；(b, c) WB-TENG的结构展开图和内部材料分布情况；(d) WB-TENG的实物图；(e-f) 水气球的制作过程图；(h, i) 气球薄膜和尼龙薄膜的电镜照片。
于是，研究团队制备了一种基于水气球（WB-TENG）的多倍频高性能摩擦纳米发电机用于波浪能收集。所提出的WB-TENG由一个方形盒和一个水气球两部分构成。方形盒内壁上覆盖一层导电铜箔，再在导电铜箔表面粘贴一层尼龙薄膜。将导线放到气球中，然后向气球中注入氯化钠水溶液，最后通过打结的方式进行密封。将制作好的水气球放到方形盒子中，这样WB-TENG发电器件就制作完成了。
“根据摩擦起电原理，当气球和尼龙薄膜相互碰撞摩擦时，两种薄膜的表面会带上等量的异种电荷。”夏克泉介绍，当两种薄膜做接触-分离运动时，根据静电感应原理，气球中的氯化钠溶液和附着在尼龙薄膜上的导电铜箔就会感应出等量异种电荷，这时，在连接两个电极的电路中就会产生交变电流，于是就可以发电了。
水气球的妙用
“以往的研究报道了多种用于收集水波能的摩擦纳米发电机结构，包括球形结构，圆筒形结构，塔形结构和蝴蝶形结构等，取得了很好的发电效果。”夏克泉介绍，但是，工作模式单一，能量转化效率低，这限制了TENG在海洋环境下收集波浪能的实际应用。因此，在这项工作中，WB-TENG能够实现三种工作模式（完全接触-分离模式；局部接触-分离模式；往复接触-分离模式），可以收集任意方向的机械能，这极大地推动了TENG在海洋能收集方面的应用。
▲WB-TENG的发电原理
此外，由于水气球具有很好的弹性，当WB-TENG受到低频率的外力作用时，水气球会在盒子内部不断和内壁碰撞，进而产生多倍频的输出电流。根据实验测试，在相同的条件下，WB-TENG在一个工作周期内的总转移电荷是传统的基于双板结构的TENG的28倍，表明这种基于水气球的结构设计会大大提升能量转化效率。除此之外，由于水气球在不增加任何支撑结构的情况下也能达到自支撑的效果，使得WB-TENG在轻微振动下仍能产生电学输出。
▲(a)集成了能源管理电路的WB-TENG示意图；(b)未来用于海洋波浪能收集的大型WB-TENG阵列的想象图；(c)WB-TENG对不同电容的充电效果；(d, e)基于能源管理电路的不同工作状态；(f)在波浪作用下，30个LED灯珠可以被WB-TENG点亮；(g)142个被排成“ZJU OCEAN 2020”的LED灯珠被点亮的照片；(h)不同浪高情况下的电压输出。
根据水气球可拉伸性，在气球与尼龙薄膜的不断碰撞摩擦过程中，气球表面会不断地积累电荷直到达到饱和，这会带来超高的输出性能。根据实验测试，在1.5赫兹的工作频率下，WB-TENG短路电流的瞬时峰值可以达到147微安，开路电压的瞬时峰值可以达到1221伏。同时，WB-TENG在外接负载为20兆欧时达到最大输出功率，其瞬时峰值为13.52毫瓦。
值得一提的是，WB-TENG除了作为发电器件，还可以作为传感器件反应波浪的振动情况，对于海洋能收集和海洋环境下分布式传感网络的构建有着积极意义。