纳米发电机专利技术分析

李亚伟（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450002）



纳米发电机专利技术分析

李亚伟
（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

摘要：纳米发电机是一项近年兴起的多领域相互交融的科学研究，它能够采集微弱的能量波动，并使其转变为电能。随着微机电系统的快速进步，对其能量的供给方面提出了更高的要求：超低功耗、便携性等，而基于外界环境能量波动的纳米发电机具有微型、耐用、高效等优点，能够达到纳米等级的能量转变，是解决微机电系统电源供给的有效途径。本文结合纳米发电机国内的专利申请，对纳米发电技术进行了相关介绍。

关键词：纳米发电机；能量波动；超低功率；便携性；专利

基于法拉第电磁感应原理的传统发电机往往设置较多的线圈、通电部件和绝缘部件，这就增加发电机的质量和体积，其可移植性大大降低。与传统发电机相比，纳米发电机能充分利用外界微弱能源，并将其转化电能。而纳米发电机将纳米程度的能量转化为电能，这使得纳米发电机可采集环境中的机械能、热能等形式的能量，并将其转化为电能。

截止到目前，根据所转化的外界能量形式的不同，纳米发电机主要分为：压电式、摩擦式、热电式、复合式［1］。其中压电式纳米发电机发明于2006年，通常应用于周期性输出动能的场合，例如用于可穿戴系统的供电系统采取收集人步行时产生的能量。摩擦电式纳米发电机所能收集能量范围更广，可以收集各种摩擦的能量，与日常工作、生活密切相关。热电式纳米发电机所产生电压值与外界温度相关，可提高发电效率，复合式纳米发电机则上述三种形式纳米发电机根据应用的具体需求进行有机组合。

纳米发电机的主要用途体现在：人体植入式电子设备、路面振动发电、声波发电等方面。纳米发电机不仅具有高效率转换能力，而且可使得工作装置和能源供给同时微纳化，使得工作装置在不依靠外界电源的情况下连续工作，具有极其重要的研究价值。本文主要从纳米发电机的外界能量采集方式这一角度对纳米发电机进行分类，在中国专利文摘数据库中挑选出具有代表性的专利文献进行分析。

1　纳米发电机技术分类

1.1压电式纳米发电机

压电式纳米发电机是采用纳米结构的压电材料，用于采集周围环境的机械能，并将其转化为电能的器件。

在这一技术领域中，代表性的发明专利文献有［3］：

发明名称：集成纳米发电机及其制备方法；

申请人：纳米新能源（唐山）有限责任公司；

公开号：CN103516255A；

公开日：2014年01月15日；

图1

图2

如图1所示，纳米发电机包括：下电极层、氧化锌种子层、氧化锌纳米线阵列（ZnO NW）、PMMA绝缘层和上电极层，氧化锌纳米线阵列垂直生长在下电极层上，氧化锌纳米线阵列上涂覆PMMA绝缘层、PMMA绝缘层将氧化锌纳米线阵列覆盖，上电极层设置在PMMA绝缘层，同时上电极层兼做另一个纳米发电机的下电极层。

此项发明专利所要解决的技术问题是：单个纳米发电机在工作时，虽然能产生电能，但其功率有限，需用大量的纳米发电机协同工作，组成发电机组，进而满足实际使用需求。

为解决该技术问题，本发明所采取的技术手段是，如图2所示纳米发电机在垂直于金属层上进行串联M，串联集成单元M在垂直于金属层上的平面内平行集成，进而形成本发明的集成纳米发电机。

1.2摩擦式纳米发电机

摩擦式纳米发电机的典型构造，是在聚合物材料的外层覆盖片形电极层，位于内表面分别是两种不同材质的聚合物，根据摩擦电极序的不同，在两种材质的聚合物接触时，正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表层转移到摩擦电极序列中极性较正的材料表层。接触电荷仅是指摩擦电极序极性存在差异的材料在彼此接触并分离后其表面所带有的电荷，这些接触电荷不仅能持续较长的时间，而且能通过再次摩擦接触得到再次补充。在周期性的距离变化过程中，可以通过外部电路的诱导得到交变电流［4］。

相较于其他类型，摩擦式纳米发电机在材料和工艺上更具有规模生产的优势，便于应用于日常生活中。近些年，摩擦式纳米发电机的专利申请量明显增多，按照接触电荷形成方式的不同，又细分为四类：（1）垂直接触分离式；（2）横向滑动式；（3）自由摩擦层式；（4）单电极式。其中以第一种形式最为常见。

垂直接触分离式的结构利于收集垂直方向的机械形变能量，通常在两种材质之间留有一定的空隙，两种材质的外表面覆盖有感应电极层，材质摩擦接触后，产生出接触电荷，依靠感应电极层和外部电路形成的电流回路，进而引发电子运动。

摩擦式纳米发电领域中，代表性的发明专利有［5］：发明名称：静电脉冲发电机和直流脉冲发电机；

申请人：国家纳米科学中心

公开号：CN103368447A；

公开日：2013年10月23日；

图3

如图3所示，发电机位于衬底101上，且其整体呈现层状，发电机从下至上依次包括第一电极层102、第一绝缘薄膜层103、绝缘支撑体104、第二绝缘薄膜层105和第二电极层106，绝缘薄膜层103和105的材质存在摩擦电极序差，绝缘支撑体104使得两层绝缘薄膜层之间形成空隙107。

该项发明专利所要解决的技术问题是：微型电子元器件所需的能源系统需要新型的供电方式，然而传统的电池供电存在：体积大、质量重、寿命短、成本高、污染环境等缺点，本申请的静电脉冲发电机和直流脉冲发电机将自然存在的机械能，借助材质之间的摩擦接触转化为电能，为微型电子元器件提供了相匹配的能源供给，且可以为储能元件充电，比如电容器、锂电池等。

为解决该技术问题，本发明所采取的技术手段是：在外力F的冲击下，两层绝缘薄膜层相互接触，并发生电荷转移，在外力撤消后，由于绝缘支撑体的回复力作用，两层绝缘薄膜层进行分离，并形成接触电荷，外加负载的情形下，该电势差造成自由电子在两金属电极间重新分布，以平衡电势差，从而形成通过负载的脉冲电流；在分离和靠近过程中产生相反的电势差，脉冲电流的流向相反，在周期性外力的作用下输出相应频率的脉冲交流电。

1.3热电式纳米发电机

热电式纳米发电机通常采取的结构形式是压电纳米发电机和热电发电机相结合的形式，这样可同时收集外界的机械能和热能。在实际应用中，物体在产生机械能的同时，往往伴随着热能的耗散。

热电式纳米发电领域中，代表性的发明专利有［6］：发明名称：一种复合式纳米发电机及其制备方法；

申请人：国家纳米科学中心

公开号：CN103354240A；

公开日：2013年10月16日；

图4

如图4所示，热电发电机110位于压电纳米发电机100的下面，两者之间是上下堆叠的形式，热电发电机110具有压电纳米发电机100的底部电极10下的导热元件14、上绝缘层15、热电PN层、下绝缘层17、下导热元件18；压电纳米发电机100具有底电极10、压电纳米结构层11、绝缘层12、顶电极13。

该项发明专利所要解决的技术问题是如何提高能量转化效率，充分利用外界耗散的热能。

为解决该技术问题所采取的技术手段是压电发电机基于压电纳米结构层发电，而热电发电机基于温差电动势效应，在两端导热元件产生温差时，形成定向流动的电流。

1.4复合式纳米发电机

复合纳米发电机兼具两种或多种外界能量采集方式，在功率、电压、电流等方面比单一形式的纳米发电机具有优势［7］。

复合式纳米发电领域中，代表性的发明专利有［8］-［9］：（1）发明名称：基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器及制备方法；

申请人：上海交通大学

公开号：CN103532430A；

公开日：2014年01月22日；

图5

如图5所示，外界能量的采集通过摩擦电的泵充效应和压电效应，1为压电层、2为电极层、3为摩擦层、4为衬底层，在外力冲击时，压电层内部会有形变，进而输出电压，静电摩擦层的凸起在于电极或其他聚合物的作用下进行摩擦，同样输出电压，共有一组压电电压，两组摩擦电电压。

该项发明专利所要解决的技术问题是：扩展微电子器件的应用范围。

为解决该技术问题所采取的技术手段是采用对称三明治结构，同时实现摩擦电效应和压电效应，使得微型能量采集器在多种频率范围内均有电能输出。

（2）发明名称：压电和摩擦电混合纳米发电机

申请人：纳米新能源（唐山）有限责任公司

公开号：CN103475262A；

公开日：2013.12.25；

图6

如图6所示，第一压电发电机位于上部，第二压电发电机位于下部，摩擦电发电机位于第一压电发电机和第二压电发电机之间，摩擦电发电机分别与第一压电发电机、第二压电发电机共用一个电极。第一压电发电机具有电极17、高分子聚合物绝缘层16、纳米线阵列15、电极11，纳米线阵列15垂直生长于电极11的一表面，电极11的另一表面与高分子绝缘层10镀在一起，高分子绝缘层16位于纳米线阵列15之上，电极17位于高分子绝缘层16的表面。第二压电发电机具有电极20、高分子聚合物绝缘层19、纳米线阵列18和电极13，纳米线阵列18垂直生长于电极13的一表面，电极13的另一表面与高分子聚合物绝缘层12镀在一起，高分子绝缘层12位于电极13至上，电极20位于高分子绝缘层19的表面。而摩擦电发电机具有电极11、高分子聚合物绝缘层10、居间薄膜14、高分子聚合物绝缘层12和电极13。

该项发明专利所要解决的技术问题是：提高输出电流或单位面积的输出功率，进而提高发电效率。

为解决该技术问题所采取的技术手段是本申请中的混合纳米发电机的每层向同一方向弯曲时，居间薄膜14的微纳凹凸结构的表面与高分子聚合物10的表层摩擦产生静电荷，进而使得电极11、13之间的电容产生改变，从而使得电极11、13之间产生电势差；而第一和第二压电发电机主要靠电极之间的纳米线阵列的弯曲、恢复产生的压电效应而发电。

2　总结

纳米发电机这一理念的提出开创了纳米尺度的机械能到电能的转换，这是纳米科技发展进程中的重要里程碑。纳米发电机实现了无序、量度小能量的转换与利用，它在主动式自驱动传感、海洋能发电、风力发电、人体植入式电子设备等领域有着重要应用。本文从压电式、摩擦式、热电式、复合式等四个方面，选取了具有代表性的专利文献，详细介绍了纳米发电机的结构、工作原理等。随着纳米发电机的研究深入，我国相关的专利申请量也在逐年上升，相关的研究成果会越来越丰硕，纳米发电机的应用前景会越来越宽广。

参考文献：

［1］王中林.新兴尖端技术-纳米发电机和纳米压电电子学［J］.光学与光电技术，2009，7（6）：1-6.

［2］王中林.压电式纳米发电机的原理和潜在应用［J］.物理，2006，35（11）：897-903.

［3］王中林，许晨，林龙.集成纳米发电机及其制备方法，中国，CN103516255［P］.2014.

［4］张虎林.摩擦电纳米发电机［D］.重庆：重庆大学.

［5］王中林，朱光，潘曹峰.静电脉冲发电机和直流脉冲发电机，中国，CN103368447［P］.2013.

［6］王中林，林龙，等.一种复合式纳米发电机及其制备方法，中国，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］杨斌，等.基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器及制备方法，中国CN103532430［P］，2014.

［9］范凤茹，等.压电和摩擦电混合纳米发电机，中国CN103475262［P］，2013.

中图分类号：TM359.9 H02N2/18。 H02N1/04。 H01L27/16。 H02N2/18。 H02N2/18。

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-25

作者简介：李亚伟（1984-），男，研究实习员，研究方向：特种电机及新能源发电。纳米发电机的诞生，正是王中林教授利用原子力显微镜探针弯曲竖直排列的氧化锌纳米线，进而由氧化锌的压电效应产生极化电荷，借助原子力显微镜探针接通外部回路，产生可利用的电信号［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