内蒙古工业大学高性能摩擦电材料最新研究成果在国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》发表

昨日，记者从内蒙古工业大学材料科学与工程学院获悉，马文教授课题组与中国科学院北京纳米能源与系统研究所（BINN）王中林院士研究团队紧密合作的题为“Harsh-Environmental-Resistant Triboelectric Nanogenerator and Its Applications in Autodrive Safety Warning”的学术论文（原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201801898），近日于国际顶级学术期刊《Advanced Energy Materials》发表。期刊报道了有望工程应用的高性能摩擦电材料及用于汽车或轨道交通中制动能量收集和自驱动传感的最新研究成果。在王中林院士和马文教授的悉心指导下，团队成员齐心协力，突破了原有摩擦电材料的耐磨损、耐高温等性能极限。 

随着可穿戴设备（WD）、人工智能（AI）和物联网（IOT）的快速发展，尤其是自动驾驶、无人机等技术领域的快速崛起，给便携式电源供给技术和智能传感网络带来了极大地挑战和新的机遇。自2012年王中林院士首次提出并深入研究的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG），到2018年王中林院士荣获被誉为世界能源领域“诺贝尔奖”暨第十一届埃尼“前沿能源奖”，TENG已成为一项公认的新型、高效的能量转化新技术。TENG作为新时代的能源技术，集低成本、高转化效率、结构简单等优势于一身，通过耦合摩擦起电效应和静电感应实现了机械能量收集与电能转化，尤其适用环境中频率低于 5Hz的机械能量，输出效率远高于电磁发电机；TENG超高灵敏度还可作为主动式传感器件，且能够实现自驱动（Self-powered）传感网络，为世界可持续能源、新能源材料、微纳能源转化技术的探索开辟了新思路，也为自驱动电子器件和自驱动传感网络提供了革命性的策略。

自动驾驶汽车是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车，是一种能够感知周围环境并在没有人为干预的情况下自主行驶的革命性车辆，其安全驾驶预警（DSEW）系统对自动驾驶汽车的行驶、巡航至关重要，是决定该领域快速、健康发展的核心技术。实际上，如果没有强大的高效传感网络，DSEW系统则无法正常运行。已有研究证实，TENG可以从行驶的车辆中获取振动和滑动能量，为DSEW系统电能和实现自驱动传感。然而，已报道的文献中各种结构、类型、材料的TENG应用在该领域仍存在较大局限性。首先，目前所采用的绝大部分摩擦电材料均为有机类聚合物及相近材料，在接触和分离过程中容易出现磨损或损坏，尤其在一定载荷下不能长时间支撑滑动摩擦；其次，工作温度高于200ºC时，大多数有机类摩擦电材料会发生分解、软化或变形。因此，TENG在该领域的应用主要作为附加组件而不是关键支撑部件，大大限制了其在工业领域的应用。为了突破上述瓶颈，内蒙古工业大学材料学院马文教授课题组与王中林院士研究团队紧密合作，先后对新型摩擦电材料和TENG的结构展开了系统研究，合作团队首次设计了足以应对恶劣环境的复合式heTENG，通过微纳米复合技术，成功制备出了耐磨损、耐高温的复合材料作为heTENG的摩擦电层，该摩擦电材料可直接用于关键的耐磨部件，如车辆刹车皮或刹车片等。在极端恶劣工作环境中，heTENG实现了滑动和振动能量收集和自驱动传感，展现了良好的电力输出性能和灵敏的传感特性，同时摩擦电材料也表现出了优异的耐磨性和耐高温性能。此外，还成功展示了基于heTENG应用实例，其一：可用于预警或提示汽车刹车片更换的自驱动智能刹车装置（SP-SB）；其二：基于heTENG的超灵敏传感特性，利用四个SP-SB器件构造了一种新型的汽车振动传感器网络，可用于自动驾驶汽车的安全监控，例如轮胎气压、偏载和超载等。该自驱动传感网络可以灵敏感知车辆行驶过程中几乎任何不利于车辆运行安全的振动信号，为DSEW提供精准信息并实时采取适当的行动。