Abstract As the world is marching into the era of the internet of things (IoTs) and artificial intelligence, the most vital development for hardware is a multifunctional array of sensing systems, which forms the foundation of the fourth industrial revolution toward an intelligent world. Given the need for mobility of these multitudes of sensors, the success of the IoTs calls for distributed energy sources, which can be provided by solar, thermal, wind, and mechanical triggering/vibrations. The triboelectric nanogenerator (TENG) for mechanical energy harvesting developed by Z.L. Wang's group is one of the best choices for this energy for the new era, since triboelectrification is a universal and ubiquitous effect with an abundant choice of materials. The development of self‐powered active sensors enabled by TENGs is revolutionary compared to externally powered passive sensors, similar to the advance from wired to wireless communication. In this paper, the fundamental theory, experiments, and applications of TENGs are reviewed as a foundation of the energy for the new era with four major application fields: micro/nano power sources, self‐powered sensors, large‐scale blue energy, and direct high‐voltage power sources. A roadmap is proposed for the research and commercialization of TENG in the next 10 years.

Triboelectrification is a well-known phenomenon that commonly occurs in nature and in our lives at any time and any place. Although each and every material exhibits triboelectrification, its quantification has not been standardized. A triboelectric series has been qualitatively ranked with regards to triboelectric polarization. Here, we introduce a universal standard method to quantify the triboelectric series for a wide range of polymers, establishing quantitative triboelectrification as a fundamental materials property. By measuring the tested materials with a liquid metal in an environment under well-defined conditions, the proposed method standardizes the experimental set up for uniformly quantifying the surface triboelectrification of general materials. The normalized triboelectric charge density is derived to reveal the intrinsic character of polymers for gaining or losing electrons. This quantitative triboelectric series may serve as a textbook standard for implementing the application of triboelectrification for energy harvesting and self-powered sensing. Triboelectric charging is a well-known phenomenon, but triboelectric polarization has only been ranked qualitatively. Here the authors develop a quantified triboelectric series for a wide range of polymers by measuring triboelectric charge density with respect to a liquid metal at well-defined conditions.

Although contact electrification (triboelectrification) (CE) has been documented since 2600 years ago, its scientific understanding remains inconclusive, unclear, and un-unified. This paper reviews the updated progress for studying the fundamental mechanism of CE using Kelvin probe force microscopy for solid–solid cases. Our conclusion is that electron transfer is the dominant mechanism for CE between solid–solid pairs. Electron transfer occurs only when the interatomic distance between the two materials is shorter than the normal bonding length (typically ∼0.2 nm) in the region of repulsive forces. A strong electron cloud overlap (or wave function overlap) between the two atoms/molecules in the repulsive region leads to electron transition between the atoms/molecules, owing to the reduced interatomic potential barrier. The role played by contact/friction force is to induce strong overlap between the electron clouds (or wave function in physics, bonding in chemistry). The electrostatic charges on the surfaces can be released from the surface by electron thermionic emission and/or photon excitation, so these electrostatic charges may not remain on the surface if sample temperature is higher than ∼300–400 °C. The electron transfer model could be extended to liquid–solid, liquid–gas and even liquid–liquid cases. As for the liquid–solid case, molecules in the liquid would have electron cloud overlap with the atoms on the solid surface at the very first contact with a virginal solid surface, and electron transfer is required in order to create the first layer of electrostatic charges on the solid surface. This step only occurs for the very first contact of the liquid with the solid. Then, ion transfer is the second step and is the dominant process thereafter, which is a redistribution of the ions in solution considering electrostatic interactions with the charged solid surface. This is proposed as a two-step formation process of the electric double layer (EDL) at the liquid–solid interface. Charge transfer in the liquid–gas case is believed to be due to electron transfer once a gas molecule strikes the liquid surface to induce the overlapping electron cloud under pressure. In general, electron transfer due to the overlapping electron cloud under mechanical force/pressure is proposed as the dominant mechanism for initiating CE between solids, liquids and gases. This study provides not only the first systematic understanding about the physics of CE, but also demonstrates that the triboelectric nanogenerator (TENG) is an effective method for studying the nature of CE between any materials.

A long debate on the charge identity and the associated mechanisms occurring in contact-electrification (CE) (or triboelectrification) has persisted for many decades, while a conclusive model has not yet been reached for explaining this phenomenon known for more than 2600 years! Here, a new method is reported to quantitatively investigate real-time charge transfer in CE via triboelectric nanogenerator as a function of temperature, which reveals that electron transfer is the dominant process for CE between two inorganic solids. A study on the surface charge density evolution with time at various high temperatures is consistent with the electron thermionic emission theory for triboelectric pairs composed of Ti-SiO2 and Ti-Al2 O3 . Moreover, it is found that a potential barrier exists at the surface that prevents the charges generated by CE from flowing back to the solid where they are escaping from the surface after the contacting. This pinpoints the main reason why the charges generated in CE are readily retained by the material as electrostatic charges for hours at room temperature. Furthermore, an electron-cloud-potential-well model is proposed based on the electron-emission-dominatedcharge-transfer mechanism, which can be generally applied to explain all types of CE in conventional materials.

Abstract With its light weight, low cost and high efficiency even at low operation frequency, the triboelectric nanogenerator is considered a potential solution for self-powered sensor networks and large-scale renewable blue energy. As an energy harvester, its output power density and efficiency are dictated by the triboelectric charge density. Here we report a method for increasing the triboelectric charge density by coupling surface polarization from triboelectrification and hysteretic dielectric polarization from ferroelectric material in vacuum ( P ~ 10 −6 torr). Without the constraint of air breakdown, a triboelectric charge density of 1003 µC m −2 , which is close to the limit of dielectric breakdown, is attained. Our findings establish an optimization methodology for triboelectric nanogenerators and enable their more promising usage in applications ranging from powering electronic devices to harvesting large-scale blue energy.

Abstract Flexible and stretchable physical sensors capable of both energy harvesting and self‐powered sensing are vital to the rapid advancements in wearable electronics. Even so, there exist few studies that can integrate energy harvesting and self‐powered sensing into a single electronic skin. Here, a stretchable and washable skin‐inspired triboelectric nanogenerator (SI‐TENG) is developed for both biomechanical energy harvesting and versatile pressure sensing. A planar and designable conductive yarn network constructed from a three‐ply‐twisted silver‐coated nylon yarn is embedded into flexible elastomer, endowing the SI‐TENG with desired stretchability, good sensitivity, high detection precision, fast responsivity, and excellent mechanical stability. With a maximum average power density of 230 mW m −2 , the SI‐TENG is able to light up 170 light‐emitting diodes, charge various capacitors, and drive miniature electronic products. As a self‐powered multifunctional sensor, the SI‐TENG is adopted to monitor human physiological signals, such as arterial pulse and voice vibrations. Furthermore, an intelligent prosthetic hand, a self‐powered pedometer/speedometer, a flexible digital keyboard, and a proof‐of‐concept pressure‐sensor array with 8 × 8 sensing pixels are successively demonstrated to further confirm its versatile application prospects. Based on these merits, the developed SI‐TENG has promising applications in wearable powering technology, physiological monitoring, intelligent prostheses, and human–machine interfaces.

A nanogenerator based on a single piezoelectric fine wire producing an alternating current (AC) is successfully used for the harvesting of biomechanical energy under in vivo conditions. We demonstrate the implanting and working of such a nanogenerator in a live rat where it harvests energy generated by its breathing or heart beating. This study shows the potential of applying these nanogenerators for driving in vivo nanodevices. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

The development of miniaturized, wearable, and implantable electronics has increased the demand for small stand-alone power modules that have steady output and long life-time. Given the limited capacity of energy storage devices, one promising solution is to integrate energy harvesting and storage materials to efficiently convert ambient mechanical energy to electricity for direct use or to store the harvested energy by electrochemical means. Here, a highly compact self-charging power unit is proposed by integrating triboelectric nanogenerator with MXene-based microsupercapacitors in a wearable and flexible harvester-storage module. The device can utilize and store the random energy from human activities in a standby mode and provide power to electronics when active. As a result, our microsupercapacitor delivers a capacitance of 23 mF/cm2 with 95% capacitance retention after 10,000 charge-discharge cycles, while the triboelectric nanogenerator exhibits a maximum output power of 7.8 µW/cm2. Given the simplicity and compact nature, our device can be integrated with a variety of electronic devices and sensors.

Growing demand in portable electronics raises a requirement to electronic devices being stretchable, deformable, and durable, for which functional polymers are ideal choices of materials. Here, the first transformable smart energy harvester and self-powered mechanosensation sensor using shape memory polymers is demonstrated. The device is based on the mechanism of a flexible triboelectric nanogenerator using the thermally triggered shape transformation of organic materials for effectively harvesting mechanical energy. This work paves a new direction for functional polymers, especially in the field of mechanosensation for potential applications in areas such as soft robotics, biomedical devices, and wearable electronics.

We demonstrate a new type of integrated nanogenerator based on arrays of vertically aligned piezoelectric ZnO nanowires. The peak open-circuit voltage and short-circuit current reach a record high level of 58 V and 134 μA, respectively, with a maximum power density of 0.78 W/cm(3). The electric output was directly applied to a sciatic nerve of a frog, inducing innervation of the nerve. Vibrant contraction of the frog's gastrocnemius muscle is observed as a result of the instantaneous electric input from the nanogenerator.