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省部共建国家重点实验室在顶级期刊Small发表最新研究成果

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  • 来源:重点实验室
  • 日期:2022-11-17

近日,省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室赵坤副研究员等人在自驱动系统领域取得最新研究进展,并以题“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”在线发表在国际纳米、材料领域顶级期刊Small (IF:15.153 /Q1)上。兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室为第一完成单位,赵坤副研究员为第一作者和通讯作者,材料学院孔令斌教授和我校客座教授台湾清华大学阙郁伦教授为共同通讯作者。

摩擦纳米发电机是以麦克斯韦位移电流为驱动力将分布式、无规则的低频微小机械能有效转化为电能的新型能量收集器。在可穿戴电子器件、移动式电子设备、微纳机器人以及分布式环境传感器等微电子器件的能量供给方面具有巨大的应用潜力,对实现双碳目标具有重要的意义。然而,摩擦纳米发电机相对较低的输出性能和缺乏与之匹配的能量存储器件严重限制了摩擦纳米发电机在日常生活中的大规模应用。为了解决发电机输出性能问题,科学家已从摩擦电材料制备、器件结构设计等方面进行了研究。其中,采用高介电性纳米材料对摩擦电材料改性是提高材料表面电荷密度的有效方法之一。同时,已有研究者采用传统液态电解质的锂离子电池存储发电机产生的电能。然而其面临着液态电解质易燃、高低温性能差等问题。相比之下,使用固体电解质膜的全固态锂离子电池具有更好的安全性被广泛关注。基于此,本文使用全固态锂离子电池作为储能器件与可以收集风能的高性能摩擦纳米发电机相结合成功构建了自充电系统。该系统可以有效收集环境中的风能并将其转化为电能后进行存储,能够解决传统便携式移动电源需要周期性充电的问题。

本文以具有高摩擦表面电荷密度的0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06Ba(Zr0.25Ti0.75)O3/PVDF复合材料和PA作为匹配摩擦电材料构建了收集风能摩擦纳米发电机。当风速为20.6 m/s时摩擦纳米发电机开路电压和短路电流分别高达405 V和47 μA,最大输出功率为10.65 mW。并以LiNiMnCoO2为正极、NiCo2S4为负极以及Li7La3Zr2O12/ PVDF-HFP为固态电解质设计的全固态锂离子电池在200次循环后可以保持51.3 μAh的放电容量,库仑效率为98.5%。使用摩擦纳米发电机可在58 min内将制备的全固态锂离子电池电压从0.5 V充至3.8 V。构建的自充电系统可驱动12个并联的白色发光二极管连续工作42 min,且可以驱动商业pH计工作5 s。此项工作为低成本、高性能和高安全性自充电系统的开发及其在新型自驱动微电子器件中的大范围应用提供了参考方案。

该项工作得到了国家自然科学基金(No.52065038)、甘肃省杰出青年基金(No. 21JR7RA275)、兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划(No. 062004)、中国博士后科学基金(No.2021M693836)、省部共建国家重点实验室优秀青年培育计划(No. 2018004)等经费的支持。

值得关注的是,本论文是今年赵坤副研究员在微纳能源与传感领域继在国际材料顶级期刊Nano Energy、Adv. Funct. Mater.发表最新研究进展以来的又一篇标志性成果。

论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202202792

作者简介:

赵坤,男,工学博士(后),副研究员,硕士研究生导师,2021年甘肃省“杰出青年基金”获得者,2020年兰州理工大学“红柳优青”入选者,博士毕业于中国科学院北京纳米能源与系统研究所,2018年入职兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,研究方向为摩擦纳米发电机、自驱动传感系统、纳米能源材料与器件、热释电/压电及摩擦电复合材料。在国际著名学术期刊Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Nano-Micro Lett.、Small等发表论文30余篇,近五年以第一作者在本领域公认的高水平学术期刊发表影响因子>15的中科院一区SCI论文10篇。申请国家发明专利13件。主持国家自然科学基金、甘肃省杰出青年基金、中国博士后科学基金面上资助、甘肃省高校创新基金、兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划等项目7项,参与国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等项目15项。获甘肃省“百千万”创业引领工程-首届博士后创新创业大赛三等奖1项。

课题组主页https://www.x-mol.com/groups/zhaokun

(撰稿:周宏伟,审核:石玗)

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