隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，環(huán)境中廣泛分布的傳感器等電子器件對(duì)于電能的供應(yīng)方式提出了新的要求。電池雖然可以滿足一些場(chǎng)景下的應(yīng)用，然而其對(duì)于充電或更換的需求造成了額外的維護(hù)成本和管理困難，尤其是在野外和密閉空間等特殊應(yīng)用場(chǎng)合。因此，原位收集環(huán)境能量并實(shí)現(xiàn)電能供給的自驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為當(dāng)前一個(gè)重要的發(fā)展方向。摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)可以有效收集環(huán)境中的低頻機(jī)械能，近年來得到迅速的發(fā)展。環(huán)境中的能量，如風(fēng)能、太陽(yáng)能和雨滴的能量往往具有不穩(wěn)定的特性，分布在特定時(shí)間或特定區(qū)域。另外，惡劣的野外環(huán)境條件也對(duì)器件的正常運(yùn)行造成很大的影響。因此，發(fā)展一種具有廣泛適應(yīng)性且能夠穩(wěn)定提供電能供給的器件具有重要的意義。 

北京納米能源與系統(tǒng)研究所和華中科技大學(xué)等單位合作對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了環(huán)境電源（Environmental power source）的概念，與化學(xué)電源相對(duì)應(yīng)，環(huán)境電源基于周圍環(huán)境提供電能，且對(duì)于復(fù)雜環(huán)境具有良好的適應(yīng)性及環(huán)境友好特性，能高度融入周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的免維護(hù)布署。研究團(tuán)隊(duì)基于一種新穎的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了高性能的多合一環(huán)境電源。相關(guān)結(jié)果以“Hybrid All‐in‐One Power Source Based on High‐Performance Spherical Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Environmental Energy”為題發(fā)表在近期的Advanced Energy Materials上（文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001669）。 

文章基于摩擦納米發(fā)電機(jī)提出了一種可廣泛適應(yīng)環(huán)境并收集多種環(huán)境能量的多合一環(huán)境電源。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該器件將高性能球形摩擦納米發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池集成，使其能夠從風(fēng)、雨滴和陽(yáng)光中獲取能量。帶有環(huán)形邊沿結(jié)構(gòu)的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)可以有效地從風(fēng)和雨等流體中收集能量。4個(gè)球形摩擦納米發(fā)電機(jī)在風(fēng)中可獲得幾乎連續(xù)的直流電流輸出和5.63mW的高平均功率，并可點(diǎn)亮1160個(gè)LED燈。此外，器件的良好封裝能保證其在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。通過與太陽(yáng)能電池互補(bǔ)，器件能夠一體化收集風(fēng)能、雨能和太陽(yáng)能等常見環(huán)境能量，通過多能互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)全天候可靠的電能供應(yīng)，適應(yīng)多種復(fù)雜的環(huán)境條件，支持環(huán)境中的電子設(shè)備工作。文中還實(shí)現(xiàn)了在土壤濕度檢測(cè)（智能農(nóng)場(chǎng)）、森林防火、管道傳感等場(chǎng)景的應(yīng)用，展示了其在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代各種分布式自驅(qū)動(dòng)環(huán)境設(shè)備中的巨大應(yīng)用潛力。 

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等項(xiàng)目資助。 

圖1 多合一環(huán)境電源的概念、結(jié)構(gòu)和工作原理圖。（a）環(huán)境電源工作的概念圖。（b）器件的結(jié)構(gòu)圖。（c）單個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元的工作原理圖。

圖2 多合一環(huán)境電源的性能及應(yīng)用場(chǎng)景。（a）風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下點(diǎn)亮1160個(gè)LED燈。（b）風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下四個(gè)球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流。（c）7.6m/s風(fēng)速下器件的輸出功率。（d）基于多合一環(huán)境電源的自驅(qū)動(dòng)土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。（e）自驅(qū)動(dòng)土壤濕度監(jiān)測(cè)過程中儲(chǔ)能電容的充放電過程。（f）基于多合一環(huán)境電源的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。（g）基于多合一環(huán)境電源的管道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。（h）多合一環(huán)境電源的應(yīng)用展望。