納米發電機專利技術分析

李亞偉（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南　鄭州　450002）

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納米發電機專利技術分析

李亞偉
（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：納米發電機是一項近年興起的多領域相互交融的科學研究，它能夠采集微弱的能量波動，并使其轉變為電能。隨著微機電系統的快速進步，對其能量的供給方面提出了更高的要求：超低功耗、便攜性等，而基于外界環境能量波動的納米發電機具有微型、耐用、高效等優點，能夠達到納米等級的能量轉變，是解決微機電系統電源供給的有效途徑。本文結合納米發電機國內的專利申請，對納米發電技術進行了相關介紹。

關鍵詞：納米發電機；能量波動；超低功率；便攜性；專利

基于法拉第電磁感應原理的傳統發電機往往設置較多的線圈、通電部件和絕緣部件，這就增加發電機的質量和體積，其可移植性大大降低。與傳統發電機相比，納米發電機能充分利用外界微弱能源，并將其轉化電能。而納米發電機將納米程度的能量轉化為電能，這使得納米發電機可采集環境中的機械能、熱能等形式的能量，并將其轉化為電能。

截止到目前，根據所轉化的外界能量形式的不同，納米發電機主要分為：壓電式、摩擦式、熱電式、復合式［1］。其中壓電式納米發電機發明于2006年，通常應用于周期性輸出動能的場合，例如用于可穿戴系統的供電系統采取收集人步行時產生的能量。摩擦電式納米發電機所能收集能量范圍更廣，可以收集各種摩擦的能量，與日常工作、生活密切相關。熱電式納米發電機所產生電壓值與外界溫度相關，可提高發電效率，復合式納米發電機則上述三種形式納米發電機根據應用的具體需求進行有機組合。

納米發電機的主要用途體現在：人體植入式電子設備、路面振動發電、聲波發電等方面。納米發電機不僅具有高效率轉換能力，而且可使得工作裝置和能源供給同時微納化，使得工作裝置在不依靠外界電源的情況下連續工作，具有極其重要的研究價值。本文主要從納米發電機的外界能量采集方式這一角度對納米發電機進行分類，在中國專利文摘數據庫中挑選出具有代表性的專利文獻進行分析。

1　納米發電機技術分類

1.1壓電式納米發電機

壓電式納米發電機是采用納米結構的壓電材料，用于采集周圍環境的機械能，并將其轉化為電能的器件。

在這一技術領域中，代表性的發明專利文獻有［3］：

發明名稱：集成納米發電機及其制備方法；

申請人：納米新能源（唐山）有限責任公司；

公開號：CN103516255A；

公開日：2014年01月15日；

圖1

圖2

如圖1所示，納米發電機包括：下電極層、氧化鋅種子層、氧化鋅納米線陣列（ZnO NW）、PMMA絕緣層和上電極層，氧化鋅納米線陣列垂直生長在下電極層上，氧化鋅納米線陣列上涂覆PMMA絕緣層、PMMA絕緣層將氧化鋅納米線陣列覆蓋，上電極層設置在PMMA絕緣層，同時上電極層兼做另一個納米發電機的下電極層。

此項發明專利所要解決的技術問題是：單個納米發電機在工作時，雖然能產生電能，但其功率有限，需用大量的納米發電機協同工作，組成發電機組，進而滿足實際使用需求。

為解決該技術問題，本發明所采取的技術手段是，如圖2所示納米發電機在垂直于金屬層上進行串聯M，串聯集成單元M在垂直于金屬層上的平面內平行集成，進而形成本發明的集成納米發電機。

1.2摩擦式納米發電機

摩擦式納米發電機的典型構造，是在聚合物材料的外層覆蓋片形電極層，位于內表面分別是兩種不同材質的聚合物，根據摩擦電極序的不同，在兩種材質的聚合物接觸時，正電荷從摩擦電極序中極性較負的材料表層轉移到摩擦電極序列中極性較正的材料表層。接觸電荷僅是指摩擦電極序極性存在差異的材料在彼此接觸并分離后其表面所帶有的電荷，這些接觸電荷不僅能持續較長的時間，而且能通過再次摩擦接觸得到再次補充。在周期性的距離變化過程中，可以通過外部電路的誘導得到交變電流［4］。

相較于其他類型，摩擦式納米發電機在材料和工藝上更具有規模生產的優勢，便于應用于日常生活中。近些年，摩擦式納米發電機的專利申請量明顯增多，按照接觸電荷形成方式的不同，又細分為四類：（1）垂直接觸分離式；（2）橫向滑動式；（3）自由摩擦層式；（4）單電極式。其中以第一種形式最為常見。

垂直接觸分離式的結構利于收集垂直方向的機械形變能量，通常在兩種材質之間留有一定的空隙，兩種材質的外表面覆蓋有感應電極層，材質摩擦接觸后，產生出接觸電荷，依靠感應電極層和外部電路形成的電流回路，進而引發電子運動。

摩擦式納米發電領域中，代表性的發明專利有［5］：發明名稱：靜電脈沖發電機和直流脈沖發電機；

申請人：國家納米科學中心

公開號：CN103368447A；

公開日：2013年10月23日；

圖3

如圖3所示，發電機位于襯底101上，且其整體呈現層狀，發電機從下至上依次包括第一電極層102、第一絕緣薄膜層103、絕緣支撐體104、第二絕緣薄膜層105和第二電極層106，絕緣薄膜層103和105的材質存在摩擦電極序差，絕緣支撐體104使得兩層絕緣薄膜層之間形成空隙107。

該項發明專利所要解決的技術問題是：微型電子元器件所需的能源系統需要新型的供電方式，然而傳統的電池供電存在：體積大、質量重、壽命短、成本高、污染環境等缺點，本申請的靜電脈沖發電機和直流脈沖發電機將自然存在的機械能，借助材質之間的摩擦接觸轉化為電能，為微型電子元器件提供了相匹配的能源供給，且可以為儲能元件充電，比如電容器、鋰電池等。

為解決該技術問題，本發明所采取的技術手段是：在外力F的沖擊下，兩層絕緣薄膜層相互接觸，并發生電荷轉移，在外力撤消后，由于絕緣支撐體的回復力作用，兩層絕緣薄膜層進行分離，并形成接觸電荷，外加負載的情形下，該電勢差造成自由電子在兩金屬電極間重新分布，以平衡電勢差，從而形成通過負載的脈沖電流；在分離和靠近過程中產生相反的電勢差，脈沖電流的流向相反，在周期性外力的作用下輸出相應頻率的脈沖交流電。

1.3熱電式納米發電機

熱電式納米發電機通常采取的結構形式是壓電納米發電機和熱電發電機相結合的形式，這樣可同時收集外界的機械能和熱能。在實際應用中，物體在產生機械能的同時，往往伴隨著熱能的耗散。

熱電式納米發電領域中，代表性的發明專利有［6］：發明名稱：一種復合式納米發電機及其制備方法；

申請人：國家納米科學中心

公開號：CN103354240A；

公開日：2013年10月16日；

圖4

如圖4所示，熱電發電機110位于壓電納米發電機100的下面，兩者之間是上下堆疊的形式，熱電發電機110具有壓電納米發電機100的底部電極10下的導熱元件14、上絕緣層15、熱電PN層、下絕緣層17、下導熱元件18；壓電納米發電機100具有底電極10、壓電納米結構層11、絕緣層12、頂電極13。

該項發明專利所要解決的技術問題是如何提高能量轉化效率，充分利用外界耗散的熱能。

為解決該技術問題所采取的技術手段是壓電發電機基于壓電納米結構層發電，而熱電發電機基于溫差電動勢效應，在兩端導熱元件產生溫差時，形成定向流動的電流。

1.4復合式納米發電機

復合納米發電機兼具兩種或多種外界能量采集方式，在功率、電壓、電流等方面比單一形式的納米發電機具有優勢［7］。

復合式納米發電領域中，代表性的發明專利有［8］-［9］：（1）發明名稱：基于壓電和摩擦電耦合的柔性微型能量采集器及制備方法；

申請人：上海交通大學

公開號：CN103532430A；

公開日：2014年01月22日；

圖5

如圖5所示，外界能量的采集通過摩擦電的泵充效應和壓電效應，1為壓電層、2為電極層、3為摩擦層、4為襯底層，在外力沖擊時，壓電層內部會有形變，進而輸出電壓，靜電摩擦層的凸起在于電極或其他聚合物的作用下進行摩擦，同樣輸出電壓，共有一組壓電電壓，兩組摩擦電電壓。

該項發明專利所要解決的技術問題是：擴展微電子器件的應用范圍。

為解決該技術問題所采取的技術手段是采用對稱三明治結構，同時實現摩擦電效應和壓電效應，使得微型能量采集器在多種頻率范圍內均有電能輸出。

（2）發明名稱：壓電和摩擦電混合納米發電機

申請人：納米新能源（唐山）有限責任公司

公開號：CN103475262A；

公開日：2013.12.25；

圖6

如圖6所示，第一壓電發電機位于上部，第二壓電發電機位于下部，摩擦電發電機位于第一壓電發電機和第二壓電發電機之間，摩擦電發電機分別與第一壓電發電機、第二壓電發電機共用一個電極。第一壓電發電機具有電極17、高分子聚合物絕緣層16、納米線陣列15、電極11，納米線陣列15垂直生長于電極11的一表面，電極11的另一表面與高分子絕緣層10鍍在一起，高分子絕緣層16位于納米線陣列15之上，電極17位于高分子絕緣層16的表面。第二壓電發電機具有電極20、高分子聚合物絕緣層19、納米線陣列18和電極13，納米線陣列18垂直生長于電極13的一表面，電極13的另一表面與高分子聚合物絕緣層12鍍在一起，高分子絕緣層12位于電極13至上，電極20位于高分子絕緣層19的表面。而摩擦電發電機具有電極11、高分子聚合物絕緣層10、居間薄膜14、高分子聚合物絕緣層12和電極13。

該項發明專利所要解決的技術問題是：提高輸出電流或單位面積的輸出功率，進而提高發電效率。

為解決該技術問題所采取的技術手段是本申請中的混合納米發電機的每層向同一方向彎曲時，居間薄膜14的微納凹凸結構的表面與高分子聚合物10的表層摩擦產生靜電荷，進而使得電極11、13之間的電容產生改變，從而使得電極11、13之間產生電勢差；而第一和第二壓電發電機主要靠電極之間的納米線陣列的彎曲、恢復產生的壓電效應而發電。

2　總結

納米發電機這一理念的提出開創了納米尺度的機械能到電能的轉換，這是納米科技發展進程中的重要里程碑。納米發電機實現了無序、量度小能量的轉換與利用，它在主動式自驅動傳感、海洋能發電、風力發電、人體植入式電子設備等領域有著重要應用。本文從壓電式、摩擦式、熱電式、復合式等四個方面，選取了具有代表性的專利文獻，詳細介紹了納米發電機的結構、工作原理等。隨著納米發電機的研究深入，我國相關的專利申請量也在逐年上升，相關的研究成果會越來越豐碩，納米發電機的應用前景會越來越寬廣。

參考文獻：

［1］王中林.新興尖端技術-納米發電機和納米壓電電子學［J］.光學與光電技術，2009，7（6）：1-6.

［2］王中林.壓電式納米發電機的原理和潛在應用［J］.物理，2006，35（11）：897-903.

［3］王中林，許晨，林龍.集成納米發電機及其制備方法，中國，CN103516255［P］.2014.

［4］張虎林.摩擦電納米發電機［D］.重慶：重慶大學.

［5］王中林，朱光，潘曹峰.靜電脈沖發電機和直流脈沖發電機，中國，CN103368447［P］.2013.

［6］王中林，林龍，等.一種復合式納米發電機及其制備方法，中國，CN103354240［P］，2013.

［7］S Wang，L Lin，et.al.Nanoscale Triboelect-ric-Effect-En?abled Energy Conversion for Sustainably Powering Portable Elec?trinics，Nano Letters.2012，12（12）：6339-6346

［8］楊斌，等.基于壓電和摩擦電耦合的柔性微型能量采集器及制備方法，中國CN103532430［P］，2014.

［9］范鳳茹，等.壓電和摩擦電混合納米發電機，中國CN103475262［P］，2013.

中圖分類號：TM359.9 H02N2/18。 H02N1/04。 H01L27/16。 H02N2/18。 H02N2/18。

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-12-25

作者簡介：李亞偉（1984-），男，研究實習員，研究方向：特種電機及新能源發電。納米發電機的誕生，正是王中林教授利用原子力顯微鏡探針彎曲豎直排列的氧化鋅納米線，進而由氧化鋅的壓電效應產生極化電荷，借助原子力顯微鏡探針接通外部回路，產生可利用的電信號［2］。

Study on the Patent Technology for Nanogenerators

Li Yawei
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract：Nanogenerator is a new interdisciplinary research in recent years；it can harvest feeble energy fluctuation and transform the energy to electricity.With the progress of Micro-electromechanical Systems（MEMS），higher re?quirement is put forward，such as ultra-low power consumption，portability.Based on fluctuation of external energy，nanogenerator has many advantages：miniature，durable，efficient，it can achieve energy transformation of nano-level，and it provides an effective method to solve power supply of MEMS.In this article，related introduction is demonstrat?ed based on patent application in China.

Keywords：Nanogenerator；energy fluctuation；ultra-low power；portability；patent