近日，省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室趙坤副研究員等人在自驅動系統領域取得最新研究進展，并以題“Design of Self-poweredSystem ByWind-Driven Triboelectric Nanogenerator Based on0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06Ba(Zr0.25Ti0.75)O3/polyvinylidene fluoride (BNT-BZT/PVDF) Composites”在線發表在國際納米、材料領域頂級期刊Small (IF:15.153 /Q1)上。蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室為第一完成單位，趙坤副研究員為第一作者和通訊作者，材料學院孔令斌教授和我校客座教授臺灣清華大學闕郁倫教授為共同通訊作者。
摩擦納米發電機是以麥克斯韋位移電流為驅動力將分布式、無規則的低頻微小機械能有效轉化為電能的新型能量收集器。在可穿戴電子器件、移動式電子設備、微納機器人以及分布式環境傳感器等微電子器件的能量供給方面具有巨大的應用潛力，對實現雙碳目標具有重要的意義。然而，摩擦納米發電機相對較低的輸出性能和缺乏與之匹配的能量存儲器件嚴重限制了摩擦納米發電機在日常生活中的大規模應用。為了解決發電機輸出性能問題，科學家已從摩擦電材料制備、器件結構設計等方面進行了研究。其中，采用高介電性納米材料對摩擦電材料改性是提高材料表面電荷密度的有效方法之一。同時，已有研究者采用傳統液態電解質的鋰離子電池存儲發電機產生的電能。然而其面臨著液態電解質易燃、高低溫性能差等問題。相比之下，使用固體電解質膜的全固態鋰離子電池具有更好的安全性被廣泛關注。基于此，本文使用全固態鋰離子電池作為儲能器件與可以收集風能的高性能摩擦納米發電機相結合成功構建了自充電系統。該系統可以有效收集環境中的風能并將其轉化為電能后進行存儲，能夠解決傳統便攜式移動電源需要周期性充電的問題。
本文以具有高摩擦表面電荷密度的0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06Ba(Zr0.25Ti0.75)O3/PVDF復合材料和PA作為匹配摩擦電材料構建了收集風能摩擦納米發電機。當風速為20.6 m/s時摩擦納米發電機開路電壓和短路電流分別高達405 V和47 μA，最大輸出功率為10.65 mW。并以LiNiMnCoO2為正極、NiCo2S4為負極以及Li7La3Zr2O12/ PVDF-HFP為固態電解質設計的全固態鋰離子電池在200次循環后可以保持51.3 μAh的放電容量，庫侖效率為98.5%。使用摩擦納米發電機可在58 min內將制備的全固態鋰離子電池電壓從0.5 V充至3.8 V。構建的自充電系統可驅動12個并聯的白色發光二極管連續工作42 min，且可以驅動商業pH計工作5 s。此項工作為低成本、高性能和高安全性自充電系統的開發及其在新型自驅動微電子器件中的大范圍應用提供了參考方案。
該項工作得到了國家自然科學基金(No.52065038)、甘肅省杰出青年基金(No. 21JR7RA275)、蘭州理工大學紅柳優秀青年人才支持計劃(No. 062004)、中國博士后科學基金(No.2021M693836)、省部共建國家重點實驗室優秀青年培育計劃(No. 2018004)等經費的支持。
值得關注的是，本論文是今年趙坤副研究員在微納能源與傳感領域繼在國際材料頂級期刊Nano Energy、Adv. Funct. Mater.發表最新研究進展以來的又一篇標志性成果。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202202792
作者簡介：
趙坤，男，工學博士（后），副研究員，碩士研究生導師，2021年甘肅省“杰出青年基金”獲得者，2020年蘭州理工大學“紅柳優青”入選者，博士畢業于中國科學院北京納米能源與系統研究所，2018年入職蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，研究方向為摩擦納米發電機、自驅動傳感系統、納米能源材料與器件、熱釋電/壓電及摩擦電復合材料。在國際著名學術期刊Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Nano-Micro Lett.、Small等發表論文30余篇，近五年以第一作者在本領域公認的高水平學術期刊發表影響因子＞15的中科院一區SCI論文10篇。申請國家發明專利13件。主持國家自然科學基金、甘肅省杰出青年基金、中國博士后科學基金面上資助、甘肅省高校創新基金、蘭州理工大學紅柳優秀青年人才支持計劃等項目7項，參與國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃等項目15項。獲甘肅省“百千萬”創業引領工程-首屆博士后創新創業大賽三等獎1項。
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/zhaokun
(撰稿：周宏偉，審核：石玗)
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