详解第一代纳米发电智能轮胎

近日，国内研究机构联合轮胎企业，制作出具有智能传感功能的第一代摩擦纳米发电绿色智能轮胎。

轮胎世界网获悉，这款轮胎由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，携手山东玲珑轮胎股份有限公司联合研发。

据介绍，该产品基于摩擦纳米发电机，结合白炭黑绿色轮胎的特性来发电，可以回收轮胎和地面摩擦产生的能量。

以下为第一代摩擦纳米发电绿色智能轮胎的介绍。

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。

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。

其中，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。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。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？

在轮胎制造行业，有一个困扰很久的问题，就是轮胎的魔三角。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，以及上文提到的四种基本模式都不相同，因此，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。

工作人员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。

第一代发电智能轮胎就可以作为胎压传感器使用。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，由于导电层均匀的分布在轮胎中，电流信号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。

这种摩擦纳米发电轮胎所具有的的自驱动传感性能，同以往的普通轮胎或者加入有源传感器的普通轮胎有着很大不同。

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”了他的状态，而不是使用者去主动读取。

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，而轮胎作为汽车重要组成部分和唯一直接接触地面的部件，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，这都具有重大意义和巨大的潜在应用价值。

发电轮胎能发多少电？

9平方厘米该种轮胎胎面材料，在实验室就可以得到21μA的电流输出和150V的电压。

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。

如果按照目前的较高数值500Wm2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这种发电轮胎，相当于可以节约2.5*10^8 kg汽油。

图4：发电轮胎制备过程

图5：发电轮胎实物图

图6：发电轮胎测试中

图7：发电轮胎发电效果特写

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