會自發電的智能輪胎來了!解讀玲瓏「黑科技」輪胎

　　2018年11月28日獲悉，北京化工大學張立群教授團隊、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林教授團隊與玲瓏輪胎合作，基於摩擦納米發電機，結合白炭黑綠色輪胎的特性，製作了具有智能傳感功能的綠色發電輪胎。

　　利用摩擦納米發電機，回收輪胎和地面摩擦產生的能量：白炭黑輪胎具有較大的靜電，這一缺點在一定程度上限制了白炭黑輪胎的應用，然而摩擦納米發電機卻可以將這一負面效應轉化為正面效應，利用這一特性，達到回收能量的目的，如果這一設想可以實現，由於輪胎浪費掉的能量又可以被回收回來一部分，這對未來的節能減排，緩解能源危機無疑是有著重大意義的。

　　基於這一設想，由中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林教授團隊和北京化工大學張立群教授團隊多次協商探討確定這一方案具有較大的可行性和價值後共同牽頭主導，攜手國內輪胎巨頭---山東玲瓏輪胎股份有限公司，集合多方力量，歷時數十個月，克服眾多問題和困難，製備出了第一代的摩擦納米發電綠色智能輪胎，其成果獲得了由中國石油和化學工業部聯合會科技部主辦的全國高校新概念輪胎設計大賽的一等獎，獲得了評委們的一致認可和好評。相關研究成果以「Triboelectric Nanogenerator Boosts Smart Green Tires」發表於國際頂級材料學期刊Advanced Functional Materials上。文章的第一作者是北京化工大學武文杰博士研究生，共同一作是中國科學院納米能源與系統研究所曹霞教授。

　　什麼是摩擦納米發電機?

　　摩擦納米發電機最早在2012年由王中林教授提出，主要原理包括靜電感應效應和摩擦起電效應，如下圖所示：

圖1：摩擦納米發電機的工作原理

　　當橡膠材料(圖中灰色部分)和銅(圖中紅色)接觸時，由於兩者對電子的吸引能力不同，在界面上會發生電荷的分離，銅表面的一部分電子流入到橡膠材料表面，使得橡膠材料帶負電，銅帶正電，然後銅板和橡膠開始分離，由於橡膠材料是絕緣的，因此表面的電荷會被固定下來，由於銅板和橡膠背後的銅板是連通的，二者電勢必須相等，因此有一部分的正電荷會從橡膠右邊的銅板中流向橡膠左邊的銅板，如圖中紅色剪頭所示，當右側銅板運動到最大位移處停止，然後再次接近銅板，此時由於橡膠表面負電荷的吸引，正電荷重新流回到右側銅板，直至接觸後銅版中的正電荷和橡膠表面的負電荷相等，在這個過程中，電流流向發生了改變，因此摩擦納米發電機得到的電流是交流電，而不是直流電。在這個過程中，機械作用力由於分離電荷，使得電荷的電勢發生了變化，完成了機械能向電能的轉化，這就是接觸分離式摩擦發電機(圖2-a)的基本原理。除了這種最基本的工作模式外，摩擦納米發電機還有另外三種工作模式，分別是滑動模式(圖2-b)，單電極模式(圖2-c)，自由摩擦層模式(圖2-d)，如圖2所示。

圖2：摩擦納米發電機的四種基本模式

　　摩擦納米發電機是一種新型的能源技術，相比較於傳統的電磁發電機，摩擦納米發電機具有使用範圍廣，工作效率高，體積輕便，容易製造等眾多優點。因此摩擦納米發電機在能量回收和新能源利用方面有較多的應用。同時，由於摩擦納米發電機對環境的較為敏感，環境的變化很容易引起其輸出電流的變化，因為摩擦發電機還總是被用於智能自驅動傳感器。所謂的自驅動傳感器是相對於普通的傳感器而言的，我們知道普通的傳感器，均包含電源裝置，通過電源供應能量使其工作，而自驅動傳感器指的是能夠從工作環境中攫取能量，通過這部分能量來工作的傳感器，這種傳感器具有免維護，長期使用成本低等優勢。在未來的物聯網和人工智慧時代，需要海量傳感器的背景下，這種不需要更換電源或者充電維護的傳感器，無疑是最佳的選擇。

　　為什麼選擇白炭黑輪胎?

　　在輪胎工業中，有一個困擾輪胎工業很久的問題就是輪胎的魔三角問題，由於橡膠材料的固有屬性，使得輪胎在耐磨性，抗溼滑和滾動阻力三者之間很難兼顧。白炭黑材料作為新一代的橡膠納米補強填料，相比炭黑材料在提高抗溼滑和降低滾阻方面都有一定的優勢。這使得白炭黑輪胎在具有優秀節油性能的同時還可以兼顧其他的性能。但是白炭黑輪胎由於具有較強的靜電，在實際使用中一直需要加入部分炭黑以通過輪胎電阻測試。這一獨特的缺點在和摩擦發電機結合以後卻變成了優點，可以用來回收部分被摩擦損耗掉的機械能。

　　發電輪胎的工作原理是什麼?

　　由於輪胎在工作過程中的運動狀態和上文提到的四種基本模式都不相同，因此在發電輪胎中的摩擦納米發電機需要結合輪胎的實際工作狀況單獨設計的。我們將導電層置於胎面層中間，使用輪胎胎面作為摩擦納米發電機的摩擦層，將導電層內置於其中，這樣在輪胎成型的步驟中可以使用和普通輪胎相同的工藝流程。發電輪胎的結構如圖3所示。

圖3：摩擦納米發電輪胎的結構及測試實物圖

　　在發電輪胎中，內置於輪胎胎面下的導電層在輪胎滾動的過程中，由於和地面的距離不斷地發生改變，進而發生電勢的變化，當導電層接地或者和電勢較低的地方相連後，就會形成交流的電信號。這是一種結合了單電極模式和接觸分離模式的工作模式，這就是摩擦納米發電輪胎的工作原理。

　　為什麼可以叫做智能輪胎?

　　由於摩擦納米發電機對外界環境具有很高的敏感度，外界環境的變化會引起摩擦納米發電機輸出電流的變化，因為摩擦納米發電機可以作為傳感器使用，本文中報導的第一代發電智能輪胎就可以作為胎壓傳感器使用。而由於其不需要外界供電，可以自發從環境中攫取能量的特點，可以做到無源免維護的自驅動傳感(self-powered sensors)。同時由於導電層是均勻的分布在輪胎之中的，因此電流信號之間的間隔時間就是輪胎轉動三分之一圈的時間，因此車輛的速度信號也可以從發電輪胎的信號中得到。本文中這種摩擦納米發電輪胎所具有的的自驅動傳感性能和以往的普通輪胎或者加入有源傳感器的普通輪胎是有著很大不同的，在這種自驅動傳感器中，輪胎工作時會產生傳感信號，信號同時反映了輪胎的狀態，相當於輪胎自己「告訴」了我們他的狀態，而不是我們去主動讀取。未來無人駕駛的進一步普及和成熟主要是建立在眾多的傳感器和程序算法的基礎上，而輪胎作為汽車的重要組成部分和唯一直接和地面接觸的材料，毫無疑問，輪胎中的智能傳感裝置也是極其重要的。無論從節能減排還是從工程維護成本的考量來說，都是具有重大意義和巨大的潛在應用價值的。

　　發電輪胎能發多少電?

　　9cm²該種輪胎胎面材料在實驗室就可以得到21μA的電流輸出和150V的電壓。而在實際使用中，由於輪胎的高速滾動，具體的數值較難測量。考慮到這是第一代的產品，性能上還有很多的優化空間在材料和結構上還有較多可以改進的地方。如果按照目前報導的較高數值500W/㎡估算，每輛車每年可以節約800kJ能量，如果全世界所有車輛換裝該發電輪胎，相當於可以節約2.5*10^8 kg汽油。

　　存在問題與未來研究計劃

　　作為輪胎來講，由於在輪胎中加入了銅作為導電層，因此輪胎的壽麵和耐久性必然會受到一定的影響，第一代的摩擦納米發電輪胎更多的是為了探究其可行性。而對於輪胎的一些其他性能兼顧較少。而作為摩擦納米發電機來講，由於需要配合現有的生產工藝，摩擦納米發電機的結構使用的是最為基礎簡單的結構，因此發電性能和傳感性能還不夠十分突出。所以我們後續的主要工作將集中在以下是四個方面展開：

　　1.優化可靠性和耐久度

　　輪胎作為一個涉及安全的產品，可靠性和耐久度是非常重要的性能指標，在接下來的工作中，我們會通過使用新材料和優化摩擦納米發電機的結構來製造儘可能滿足現有要求的摩擦納米發電輪胎。

　　2.提高發電量

　　摩擦納米發電輪胎回收的主要能量是輪胎和路面之間的摩擦損耗掉的能量，由於橡膠材料這部分能量還是很大的，目前第一代發電輪胎回收的能量還比較小，因此在發電量上還有較大的優化空間。未來對於發電量的提高，也是我們的主要目標之一。

　　3.增強傳感精度和範圍

　　由於第一代的摩擦納米發電輪胎在設計之初，僅考慮了發電性能，而對於傳感的性能並未兼顧較多，因此，第一代的發電輪胎僅可以作為胎壓監測的傳感器，而且精度也並不高，未來對輪胎智能傳感的精度優化和範圍擴大(如作為胎溫傳感器等)都會是我們工作的一部分。

　　4.相關配套設備的研發

　　目前輪胎中得到的能量並沒有找到合適的使用場景，接下來我們會通過考量發電量和輪胎的工作狀態，設計出相應的設備，使得輪胎中回收得到的這部分能量能夠被合理而高效的利用起來。