我国学者在微型电源研究领域获突破
我国学者在微型电源研究领域获突破
2月25日，《自然—通讯》报道了兰州大学秦勇团队关于纳米发电机的最新研究工作。该研究工作的突破将为开发持续而稳定供能的微型电源提供新途径。
据秦勇介绍，随着便携式电子设备、植入式医疗器件及无线传感器网络的快速发展，传统供能方式中电池容量和寿命有限且更换困难的问题日益凸显，因此人们迫切地需要发展便携、可持续和分散的能源来解决这些分布式电子器件的可持续性供电问题。针对这一问题，我国科学家已于2006年提出了一种新的能量收集技术-----压电纳米发电机（Piezoelectric Nanogenerator, PENG），它可将环境中广泛存在的机械能，例如机械振动、声波、风能、生物机械能等有效地转化为电能。相比传统的电磁发电技术，压电纳米发电机具有重量轻、成本低和低频能量收集效率高等优点，因而引起了全世界的广泛关注。该技术的出现和快速发展为开发持续而稳定供能的微型电源提供了一个新的途径。
截至目前，已有大量的研究工作通过选择具有高压电性能的材料例如BaTiO3、PbZr0.52Ti0.48O36等，以及设计有效的器件结构实现压电纳米材料的横向、径向或垂直集成来提高压电纳米发电机的输出性能，其输出电压已提高至数百伏，足以满足日常生活中大多数电子设备的需求，但是其输出电流不足却一直限制着压电纳米发电机的进一步发展和应用，而如何设计出一种具有超高电流密度压电纳米发电机是解决这一问题所面临的关键性挑战。
通过研究，秦勇团队成功地设计并制作出了一种具有三维插层电极的压电纳米发电机。该设计通过在压电材料内部构造出大量的电极压电材料界面来成倍地增加表面极化电荷，利用三维插层电极的汇集作用将表面极化电荷诱导产生的位移电流叠加起来，从而大幅地提高压电纳米发电机的输出电流密度。该器件的最大输出电流为329 μA，相应的电流密度达到290 μA cm-2，分别是已报道压电纳米发电机和摩擦纳米发电机最高电流密度纪录的1.93倍和1.61倍。其表面电荷密度为1690 μC m-2，是已报道最高纪录的1.35倍。这项研究工作在自供电电子系统方面实现了突破，并将有力推动纳米发电机的发展。
