我院先进材料与纳米器件研究所致力于纳米发电机领域研究。近日，该研究所顾陇、刘金妹、崔暖洋、徐奇等青年教师在秦勇教授指导下，成功设计并制作出可大幅提高输出电流密度的压电纳米发电机。

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，王中林院士团队于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，PENG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、PbZr_0.52Ti_0.48O₃₆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PENG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PENG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的PENG是解决这一问题所面临的关键性挑战。

该研究工作中，在秦勇教授的指导下，顾陇、刘金妹等青年教师刻苦攻关，根据Maxwell位移电流对PENG输出电流的决定性关系，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（IENG，图1）。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PENG的输出电流密度（图2）。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PENG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。这项工作将有力推动纳米发电机的发展，并在实现自供电电子系统方面具有巨大潜力。

图1  IENG的示意图和仿真计算结果

a，三维插层电极的基本结构及其工作原理。b，压电层内插层电极单元数分别为1、2、3、4、6和12时，压电势的分布。c，图b中不同情况下计算得到的输出电荷密度和输出电压。

图2  IENG的输出性能

a，b，整流后IENG的输出电流和电压信号。c，IENG在不经储能的情况下直接点亮100个红色LED。d，IENG的电流密度在现有工作中的位置。e，经过整流后，IENG对1 μF电容的充电曲线，每个周期对应的充电量为405 nC。f，IENG的表面电荷密度同已报道记录值的比较。

相关介绍：

此研究成果刊载于Nature Communications。链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14846-4。

先进材料与纳米器件研究所正式成立于2017年，现有教师11人，教授1人，客座教授1人，副教授1人，讲师8人。该研究所研究团队针对未来清洁能源和电能可持续发展的新需求，专注于新型能量存储和转换中基础的材料科学内涵，并围绕能源材料应用于功能器件中的科学与技术问题，集中开展了新型纳米发电机材料和器件、太阳能电池、压电电子学、光电催化、锂离子电池等方面的研究。近年来，该研究所在纳米发电机等领域获得多项突破，相关研究成果获得国际和国内专家的高度认可。