納米發電機未能產業化的原因是什麼？

01-02

以大牛王中林為代表的眾多納米材料研究人員一直以來從未停止對於納米發電機的研究，對於摩擦納米發電機、壓電納米發電機等的研究一直很熱，成果也不是沒有，但是這麼多年來，納米發電機一直離產業化的目標甚是遙遠。對於微小能量的採集至關重要，如今能量採集晶元的發展確實有限，但據說。除了發電效率的制約之外還有哪些因素呢？

謝邀，

MEMS兼容的壓電piezoelectric材料研究還需要走一些路。現在已經兼容的，如AlN和ZnO，不好增加厚度，而且壓電常數也不高。PZT的問題剛好相反。王和其他做的摩擦發電triboelectric也就才幾年而已。你或許是做這個研究的，所以覺得已經熱門很久了。其實整個領域年數不多。現在也有幾個初創公司，例MIcroGen Microsystem, 好像是Cornell出來的（我不確定）。日本的Omron有推出東京大學研發的electret。Electret本身也不是新的，不過現在也剛開始慢慢試著進入商業領域。再等個幾年看看吧。在劍橋的IDTechEx對Energy harvesting這個領域（包括納米和大型的）總體預估目前(2015)全球商業市場值5億美元，不過在10後預計可以達到160億美元。現在也越來越多的從大學出來的初創公司，有些也是專註MEMS energy harvesting的。我知道北大就有一個去年出來的。MEMS加速度器也是過了好幾十年才進入產業化的。剛開始的投入應用還是會在大眾看不見的行業應用開始，例：軍事，航空，工業方向和高等消費產品。我在這裡只能說，有很多離大眾應用比較遠的方向，其實已經有在慢慢實現了。

恰好自己在做壓電的相關研究

長話短說

制約的因素主要是發電效率，功率多在nW級別，目前很少有如此低功率驅動的裝置。

另外是材料方面制約，PZT壓電係數高，但是並不適合做成MEMS device。Polymer 可以隨意製成各種形狀各種大小的MEMS device，但是polymer的效率又遠遠低於壓電陶瓷。

所以要產業化，要麼改進工藝或是改善材料來大幅提升發電效率，要麼就是做出超低功耗的元件。

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插播一則小事

回答了這個問題後，有人加我微信說要討論關於壓電的問題。

通過請求後，連珠炮的問了一堆問題，我和她說研究方向並不相同後，沒有任何回應就直接刪掉我好友。

在我覺著這是非常沒有禮貌的行為。

對，說的就是你：北京工業大學研二學生費亞英。

恰巧我也在做基於壓電、電磁換能機制的振動能量採集。我個人的感覺是這個東西還是體積和功率之間存在矛盾，大家的期望都是體積要小，功率要大，可是實際真的好難做到。

感覺這個方向比較小，不過好在這個方向會涉及好多其他方向的知識，比如壓電，電磁，振動，機械，電子等，這些多學科的知識有助於快速轉向其他方向。

至於產業化，如上面幾位答主所言，國外有一些初創公司在做，有部分商業產品可以應用於特定領域，注意是特定領域，畢竟功率體積擺在那裡，期望過大只能是過分要求了。

本質上還是發電效率低，環境振動源有幾個特徵：低頻，隨機，功率譜峰值頻率變化等等，這些都極大地限制了機電耦合結構的發電效率。最最重要的一點，還是超低功耗低電子元器件沒有被發明出來，目前大多數集成晶元的功耗主要還是通過熱量耗散掉了，一旦出現了超低功耗低電子元器件，振動能量發電機還是很有應用前景的。另外，此類技術的應用還可以換個角度談應用，西班牙就有學者提出了利用渦激振動發電的結構，該技術不一定要用於真正的電網發電，軍方的一些武器中是非常需要的，這裡也不便多說。

如果不限制在「晶元」兩個字上面的話，現有技術已經實用了。大的比如洋流發電，小一點的小電磁發電。薄一點的可以用PZT

本人也做一些振動能量採集器的研發，

首先同上所說，在實際應用的效率達不到要求，更準確的是體積功率達不到要求。真實環境往往是很低頻的、強度也常常較小，真正發電的周期也很短，不同於文章中的測試方法，實驗室測試方法一般都很理想（找數據最好看的）：壓電採集器工作於諧振狀態、靜電摩擦採集器施加的壓力較大時，光看這些數據好似可以開展應用了。但是真實情況下很難達到測試這麼好的外部激勵。振動類採集器由於受到發電原理的限制，發電激勵方向角度都收到限制。某公司曾經找過我們想做智能手環，提的要求一天平均功率0.幾mW，樣機在實驗室劇烈運動時電磁式mW量級可以達到，但這樣的運動維持不了多久，動作稍微變形效率下降明顯，而且為了發電讓用戶不挺運動體驗也不佳。

另外，介面電路／能量管理電路也是一個難點，而且做出真正成果的不多，這也和整體大環境有關，作採集器的覺得電路只是輔助（申請項目不如直接做器件來得好），反過來搞電路設計的又缺乏感測器的知識。

現在消費電子領域現實就是短平快，一兩年不到就更新了，能量採集器宣傳的能長期（十年）工作這樣的應用場景現在還很少，軍工里會有一些。研究能量採集器推進應用的人，常常要處於帶著解決方案找應用的狀態。最近人工智慧大火，整個行業資金和關注點從14/15年可穿戴又轉到這個方向了，覺得整體趨勢還是功能越來越強，用戶體驗越來越好。包括WSN感測網感測器節點，也是功能越來越強，沒有什麼模式識別、智能感知都不敢拿出手。而過多考慮能源限制，會影響功能的提升。

只能說這個技術是新能源的一個備選項，能夠大面積推廣，還得有強於鋰電池／充電電池／甚至太陽能電池的理由，必經這些技術也在快速發展。鋰電池使用壽命有的也可以長達10年，如Li ? SOCl2，存儲在太陽和風能環境也比振動更普遍（雖然我們做振動能採集器自誇我們才是能實現全天候供能的方案）。

希望有幫助。