輪胎作為當今汽車工業的重要組成部分，無論在安全還是節能方面，對車輛都有著至關重要的作用。在能源日益枯竭，全球變暖的前提下，節能減排變得尤為重要，輪胎滾動阻力降低10%，可以減少整車2%的油耗，和內燃機效率的提高速度以及可提高空間相比，這已經是一個極其可觀的數值了。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，由于橡膠材料的固有屬性，使得輪胎在耐磨性，抗濕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濕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。但是由于其具有較大的靜電，因此使用中總是受到這一缺點的限制。而摩擦發電機正是一種可以將該種缺點轉化為優點，用靜電來發電的新技術，因為將白炭黑輪胎和摩擦納米發電機結合，不僅可以得到滾阻更低的輪胎，還可以回收部分能量，進一步提高整車熱效率。
近日，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院士團隊與山東玲瓏輪胎股份有限公司合作，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，同時通過檢測產生的電流，還可以得到輪胎的胎壓信息。9cm2該種輪胎胎面材料可以得到21μA的電流輸出和150V的電壓。如果按照目前報道的較高數值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，相當于可以節約2.5*10^8 kg汽油。研究發現不同胎壓下電荷的轉化量和胎壓具有較好的線性關系，可以作為自驅動的胎壓傳感器。這一研究在未來的智能輪胎和綠色輪胎有著巨大的潛在應用。相關研究成果以“Triboelectric Nanogenerator Boosts Smart Green Tires”發表于在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》，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。
研究亮點
1：第一次將摩擦納米發電機和白炭黑輪胎相結合，制備出了一體式的摩擦納米發電輪胎。
2：利用摩擦納米發電機的自傳感特性，將發電和自驅動傳感相結合，得到了具有自驅動胎壓檢測的智能輪胎
3：一定程度上解決了白炭黑的靜電問題，為靜電問題的解決提供了新思路。
4：所設計的輪胎結構可以在現有的制造設備上生產，不需要對現有設備升級.
圖1. 摩擦納米發電機工作原理(a) 雙電極摩擦納米發電機工作原理。(b) 單電極摩擦納米發電機工作原理。(c) 摩擦納米發電機電荷電流示意圖。
摩擦納米發電機的工作模式可以簡單的分為單電極和雙電極模式，其中單電極模式會將一端接地，以得到電勢差，（c）中為摩擦納米發電機的原理，當右邊的金屬摩擦層離橡膠材料較遠時，橡膠表面的負電荷在靜電感應的作用下，使得其左邊的導電層帶上正電荷。右邊銅板的接近，部分正電荷通過外電路從左邊的導電層流向右邊的摩擦層。當橡膠和右邊銅質的摩擦層相互接觸時，正電荷全部流向右邊摩擦層，當摩擦層和橡膠再次分離時，部分正電荷重新流回到左邊的導電層，在這個過程中，電流的方向發生了變化，因此得到的是交流電。
圖2. 不同材料性能研究(a) 單雙模式電極斷路電壓對比。(b) 單雙模式電極短路電流對比。(c) 不同填充量斷路電壓對比。(d) 不同填充量短路電流對比。（e） 相同填充份數白炭黑和炭黑硫化膠DMA曲線。（f）相同填充份數白炭黑和炭黑硫化膠壓縮生熱溫升曲線。
圖中（a）（b）可以看出，雙電極具有更強的輸出性能，然后由于單電極具有連接方便使用自由的優點，研究中依舊采用了單電極方案。（c）（d）中可以看出30phr的復合材料具有最佳的發電性能。（e）（f）中可以看出白炭黑具有更低的滾動阻力（一般使用60度的損耗角正切表征）和生熱。因此后面的研究中都使用30phr的白炭黑天然橡膠復合材料研究。
圖3. 小型摩擦發電測試輪以及測試結果(a) 小型摩擦發電測試輪結構。(b) 小型摩擦發電測試裝置。(c) 發電量與轉速關系(d) 發電量與載荷關系。(e) 摩擦發電輪點亮LED。(f) 摩擦發電輪點亮LED，關燈對比。
為了驗證摩擦納米發電輪胎的可行性，在實驗室制作了一個較小的測試輪，在實驗室的滾動阻力儀上驗證了輪狀摩擦納米發電機的可行性，為其在輪胎中的應用做了初步嘗試。（c）（d）為該摩擦納米發電機的輸出性能和轉速以及負載的關系，可以看出和轉速具有較好的線性關系，而負載對其輸出影響不大。
圖4.貼合型摩擦發電輪胎。(a) 貼合型摩擦發電輪胎結構(b)貼合型摩擦發電輪胎垂直運動發電效果 (c) 貼合型摩擦發電輪胎滾動發電效果(d) 貼合型發電輪胎自由落體運動發電電流(e) 貼合型發電輪胎自由落體運動發電電壓。
為了進一步驗證輪胎中摩擦納米發電機的可行性，將摩擦納米發電機粘在輪胎表面進行測試，測試結果顯示，不管是垂直跳動還是滾動，均具有較好的輸出性能。
圖5. 一體式發電輪胎制造過程。(a) 胎面制造。(b)三明治結構胎面(c)輪胎成型。(d) 未硫化輪胎。(e) 輪胎脫模。(f) 一體式摩擦發電輪胎
一體式摩擦納米發電輪胎的生產制造過程，（a）（b）在北京化工大學實驗室完成，其余均使用山東玲瓏輪胎股份有限公司，招遠工廠實際生產設備制造完成。
圖6. 發電輪胎結構及測試。(a) 發電輪胎結構。(b) 發電輪胎導電層以及發電輪胎實物。(c)發電輪胎測試過程。(d)發電輪胎測試過程LED特寫
發電輪胎結構中胎面為三明治結構，導電層內置于其中，其余結構和普通輪胎相同，硫化后在X光下可以清晰看到導電層未被破壞。在使用滾動阻力測試儀模擬發電工況時效果良好，（d）中可以清楚看到三組LED燈被點亮后留下的光軌。
圖7. 發電輪胎自驅動傳感性能。(a) 發電輪胎自驅動胎壓測試示意圖。(b) 發電輪胎自驅動胎壓測試電流線號。(c)發電輪胎電流信號和胎壓關系。(d) 發電輪胎轉化電荷量和胎壓關系。
不同胎壓下輪胎從10cm高度處做自由落體，得到電流信號，通過對電流信號的分析，可以發現電流大小和胎壓具有一定的正相關性，而轉化電荷量和胎壓顯示出較好的線性，可以作為自驅動胎壓監測設備使用。
綜上所述，研究者通過將輪胎和摩擦納米發電機相結合，得到了具有發電特性的輪胎，并展示了其作為自驅動胎壓傳感器的應用。所制備的發電輪胎可以在不同的運動模式下發電，并具有自驅動傳感性能，可以通過檢測電流信號得到輪胎胎壓，速度等信息，為未來綠色輪胎的發展和應用提供了巨大的潛力。
存在問題與下一步計劃
作為輪胎來講，由于在輪胎中加入了銅作為導電層，因此輪胎的壽面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。而對于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，由于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，因此發電性能和和傳感性能還不夠十分突出。所以他們后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，他們會通過使用新材料和優化摩擦納米發電機的結構來制造盡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，由于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這較大的優化空間。未來對于發電量的提高，也是他們的主要目標之一。
3：增強傳感精度和范圍
由于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，而對于傳感的性能并未兼顧較多，因此，第一代的發電輪胎僅可以作為胎壓監測的傳感器，而且精度也并不高，未來對輪胎智能傳感的精度優化和范圍擴大（如作為胎溫傳感器等）都會是他們工作的一部分。
4：相關配套設備的研發
目前輪胎中得到的能量并沒有找到合適的使用場景，接下來他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。
論文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806331
