蘭大團隊在微型電源研究領域獲突破!有力推動納米發電機的發展

2020-12-05 騰訊網

2月26日，記者從蘭州大學物理科學與技術學院獲得喜訊，該學院秦勇教授團隊在推動納米發電機的發展研究方面取得重要進展。該研究工作在自供電電子系統方面實現了突破，並將有力推動納米發電機的發展。

隨著可攜式電子設備、植入式醫療器件及無線傳感器網絡的快速發展，傳統供能方式中電池容量和壽命有限且更換困難的問題日益凸顯，因此，人們迫切地需要發展便攜、可持續和分散的能源來解決這些分布式電子器件的可持續性供電問題。針對這一問題，我國科學家已於2006年提出了一種新的能量收集技術-----壓電納米發電機（Piezoelectric Nanogenerator, PENG），它可將環境中廣泛存在的機械能，例如機械振動、聲波、風能、生物機械能等有效地轉化為電能。相比傳統的電磁發電技術，壓電納米發電機具有重量輕、成本低和低頻能量收集效率高等優點，因而引起了全世界的廣泛關注。該技術的出現和快速發展為開發持續而穩定供能的微型電源提供了一個新的途徑。

據了解，截至目前，已有大量的研究工作通過選擇具有高壓電性能的材料例如BaTiO3、PbZr0.52Ti0.48O36等，以及設計有效的器件結構實現壓電納米材料的橫向、徑向或垂直集成來提高壓電納米發電機的輸出性能，其輸出電壓已提高至數百伏，足以滿足日常生活中大多數電子設備的需求，但是其輸出電流不足卻一直限制著壓電納米發電機的進一步發展和應用，而如何設計出一種具有超高電流密度壓電納米發電機是解決這一問題所面臨的關鍵性挑戰。

通過研究，秦勇團隊成功地設計並製作出了一種具有三維插層電極的壓電納米發電機。該設計通過在壓電材料內部構造出大量的電極壓電材料界面來成倍地增加表面極化電荷，利用三維插層電極的匯集作用將表面極化電荷誘導產生的位移電流疊加起來，從而大幅地提高壓電納米發電機的輸出電流密度。該器件的最大輸出電流為329μA，相應的電流密度達到290 μA cm-2，分別是已報導壓電納米發電機和摩擦納米發電機最高電流密度紀錄的1.93倍和1.61倍。其表面電荷密度為1690 μC m-2，是已報導最高紀錄的1.35倍。這項研究工作在自供電電子系統方面實現了突破，並將有力推動納米發電機的發展。

2月25日，國際知名期刊——《自然—通訊》對這一研究成果進行了報導。

來源：蘭州日報社全媒體記者 馬文豔

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