会自发电的智能轮胎来了！解读玲珑“黑科技”轮胎

　　2018年11月28日获悉，北京化工大学张立群教授团队、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授团队与玲珑轮胎合作，基于摩擦纳米发电机，结合白炭黑绿色轮胎的特性，制作了具有智能传感功能的绿色发电轮胎。

　　利用摩擦纳米发电机，回收轮胎和地面摩擦产生的能量：白炭黑轮胎具有较大的静电，这一缺点在一定程度上限制了白炭黑轮胎的应用，然而摩擦纳米发电机却可以将这一负面效应转化为正面效应，利用这一特性，达到回收能量的目的，如果这一设想可以实现，由于轮胎浪费掉的能量又可以被回收回来一部分，这对未来的节能减排，缓解能源危机无疑是有着重大意义的。

　　基于这一设想，由中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林教授团队和北京化工大学张立群教授团队多次协商探讨确定这一方案具有较大的可行性和价值后共同牵头主导，携手国内轮胎巨头---山东玲珑轮胎股份有限公司，集合多方力量，历时数十个月，克服众多问题和困难，制备出了第一代的摩擦纳米发电绿色智能轮胎，其成果获得了由中国石油和化学工业部联合会科技部主办的全国高校新概念轮胎设计大赛的一等奖，获得了评委们的一致认可和好评。相关研究成果以“Triboelectric Nanogenerator Boosts Smart Green Tires”发表于国际顶级材料学期刊Advanced Functional Materials上。文章的第一作者是北京化工大学武文杰博士研究生，共同一作是中国科学院纳米能源与系统研究所曹霞教授。

　　什么是摩擦纳米发电机?

　　摩擦纳米发电机最早在2012年由王中林教授提出，主要原理包括静电感应效应和摩擦起电效应，如下图所示：

图1：摩擦纳米发电机的工作原理

　　当橡胶材料(图中灰色部分)和铜(图中红色)接触时，由于两者对电子的吸引能力不同，在界面上会发生电荷的分离，铜表面的一部分电子流入到橡胶材料表面，使得橡胶材料带负电，铜带正电，然后铜板和橡胶开始分离，由于橡胶材料是绝缘的，因此表面的电荷会被固定下来，由于铜板和橡胶背后的铜板是连通的，二者电势必须相等，因此有一部分的正电荷会从橡胶右边的铜板中流向橡胶左边的铜板，如图中红色剪头所示，当右侧铜板运动到最大位移处停止，然后再次接近铜板，此时由于橡胶表面负电荷的吸引，正电荷重新流回到右侧铜板，直至接触后铜版中的正电荷和橡胶表面的负电荷相等，在这个过程中，电流流向发生了改变，因此摩擦纳米发电机得到的电流是交流电，而不是直流电。在这个过程中，机械作用力由于分离电荷，使得电荷的电势发生了变化，完成了机械能向电能的转化，这就是接触分离式摩擦发电机(图2-a)的基本原理。除了这种最基本的工作模式外，摩擦纳米发电机还有另外三种工作模式，分别是滑动模式(图2-b)，单电极模式(图2-c)，自由摩擦层模式(图2-d)，如图2所示。

图2：摩擦纳米发电机的四种基本模式

　　摩擦纳米发电机是一种新型的能源技术，相比较于传统的电磁发电机，摩擦纳米发电机具有使用范围广，工作效率高，体积轻便，容易制造等众多优点。因此摩擦纳米发电机在能量回收和新能源利用方面有较多的应用。同时，由于摩擦纳米发电机对环境的较为敏感，环境的变化很容易引起其输出电流的变化，因为摩擦发电机还总是被用于智能自驱动传感器。所谓的自驱动传感器是相对于普通的传感器而言的，我们知道普通的传感器，均包含电源装置，通过电源供应能量使其工作，而自驱动传感器指的是能够从工作环境中攫取能量，通过这部分能量来工作的传感器，这种传感器具有免维护，长期使用成本低等优势。在未来的物联网和人工智能时代，需要海量传感器的背景下，这种不需要更换电源或者充电维护的传感器，无疑是最佳的选择。

　　为什么选择白炭黑轮胎?

　　在轮胎工业中，有一个困扰轮胎工业很久的问题就是轮胎的魔三角问题，由于橡胶材料的固有属性，使得轮胎在耐磨性，抗湿滑和滚动阻力三者之间很难兼顾。白炭黑材料作为新一代的橡胶纳米补强填料，相比炭黑材料在提高抗湿滑和降低滚阻方面都有一定的优势。这使得白炭黑轮胎在具有优秀节油性能的同时还可以兼顾其他的性能。但是白炭黑轮胎由于具有较强的静电，在实际使用中一直需要加入部分炭黑以通过轮胎电阻测试。这一独特的缺点在和摩擦发电机结合以后却变成了优点，可以用来回收部分被摩擦损耗掉的机械能。

　　发电轮胎的工作原理是什么?

　　由于轮胎在工作过程中的运动状态和上文提到的四种基本模式都不相同，因此在发电轮胎中的摩擦纳米发电机需要结合轮胎的实际工作状况单独设计的。我们将导电层置于胎面层中间，使用轮胎胎面作为摩擦纳米发电机的摩擦层，将导电层内置于其中，这样在轮胎成型的步骤中可以使用和普通轮胎相同的工艺流程。发电轮胎的结构如图3所示。

图3：摩擦纳米发电轮胎的结构及测试实物图

　　在发电轮胎中，内置于轮胎胎面下的导电层在轮胎滚动的过程中，由于和地面的距离不断地发生改变，进而发生电势的变化，当导电层接地或者和电势较低的地方相连后，就会形成交流的电信号。这是一种结合了单电极模式和接触分离模式的工作模式，这就是摩擦纳米发电轮胎的工作原理。

　　为什么可以叫做智能轮胎?

　　由于摩擦纳米发电机对外界环境具有很高的敏感度，外界环境的变化会引起摩擦纳米发电机输出电流的变化，因为摩擦纳米发电机可以作为传感器使用，本文中报道的第一代发电智能轮胎就可以作为胎压传感器使用。而由于其不需要外界供电，可以自发从环境中攫取能量的特点，可以做到无源免维护的自驱动传感(self-powered sensors)。同时由于导电层是均匀的分布在轮胎之中的，因此电流信号之间的间隔时间就是轮胎转动三分之一圈的时间，因此车辆的速度信号也可以从发电轮胎的信号中得到。本文中这种摩擦纳米发电轮胎所具有的的自驱动传感性能和以往的普通轮胎或者加入有源传感器的普通轮胎是有着很大不同的，在这种自驱动传感器中，轮胎工作时会产生传感信号，信号同时反映了轮胎的状态，相当于轮胎自己“告诉”了我们他的状态，而不是我们去主动读取。未来无人驾驶的进一步普及和成熟主要是建立在众多的传感器和程序算法的基础上，而轮胎作为汽车的重要组成部分和唯一直接和地面接触的材料，毫无疑问，轮胎中的智能传感装置也是极其重要的。无论从节能减排还是从工程维护成本的考量来说，都是具有重大意义和巨大的潜在应用价值的。

　　发电轮胎能发多少电?

　　9cm²该种轮胎胎面材料在实验室就可以得到21μA的电流输出和150V的电压。而在实际使用中，由于轮胎的高速滚动，具体的数值较难测量。考虑到这是第一代的产品，性能上还有很多的优化空间在材料和结构上还有较多可以改进的地方。如果按照目前报道的较高数值500W/㎡估算，每辆车每年可以节约800kJ能量，如果全世界所有车辆换装该发电轮胎，相当于可以节约2.5*10^8 kg汽油。

　　存在问题与未来研究计划

　　作为轮胎来讲，由于在轮胎中加入了铜作为导电层，因此轮胎的寿面和耐久性必然会受到一定的影响，第一代的摩擦纳米发电轮胎更多的是为了探究其可行性。而对于轮胎的一些其他性能兼顾较少。而作为摩擦纳米发电机来讲，由于需要配合现有的生产工艺，摩擦纳米发电机的结构使用的是最为基础简单的结构，因此发电性能和传感性能还不够十分突出。所以我们后续的主要工作将集中在以下是四个方面展开：

　　1.优化可靠性和耐久度

　　轮胎作为一个涉及安全的产品，可靠性和耐久度是非常重要的性能指标，在接下来的工作中，我们会通过使用新材料和优化摩擦纳米发电机的结构来制造尽可能满足现有要求的摩擦纳米发电轮胎。

　　2.提高发电量

　　摩擦纳米发电轮胎回收的主要能量是轮胎和路面之间的摩擦损耗掉的能量，由于橡胶材料这部分能量还是很大的，目前第一代发电轮胎回收的能量还比较小，因此在发电量上还有较大的优化空间。未来对于发电量的提高，也是我们的主要目标之一。

　　3.增强传感精度和范围

　　由于第一代的摩擦纳米发电轮胎在设计之初，仅考虑了发电性能，而对于传感的性能并未兼顾较多，因此，第一代的发电轮胎仅可以作为胎压监测的传感器，而且精度也并不高，未来对轮胎智能传感的精度优化和范围扩大(如作为胎温传感器等)都会是我们工作的一部分。

　　4.相关配套设备的研发

　　目前轮胎中得到的能量并没有找到合适的使用场景，接下来我们会通过考量发电量和轮胎的工作状态，设计出相应的设备，使得轮胎中回收得到的这部分能量能够被合理而高效的利用起来。