NML综述｜基于纳米发电机的自充电储能器件

2  介绍并讨论了自充电储能器件纳米材料的制备技术、器件设计、工作原理、自充电性能以及潜在的应用领域等方面的工作。

3  讨论了基于纳米发电机的自充电储能器件面临的挑战，并展望了应用前景。

目前，电子器件面临的一个重大挑战是：储能设备无法为其连续、长时间的提供足够的能量，为保证其正常工作需要频繁充电或更换电池，会耗费大量的人力和财力。

为了解决下一代电子设备可持续工作的问题，近年来王中林院士等科学家在基于纳米发电机的自充电储能器件方面开展了大量的工作并取得了显著进展。

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中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员和兰州理工大学材料科学与工程学院赵坤副教授详细总结并分析了自充电储能器件的研究进展。

主要对纳米材料的制备、锂离子电池和超级电容器等储能器件的组装、基于纳米发电机的自充电储能器件的结构设计、器件自充电性能和应用等方面展开了详细的讨论，并分析了自充电储能装置亟待解决的问题和应用前景。

自充电器件的构建

在基于纳米发电机的自充电储能器件中，以锂离子电池或超级电容器作为能量存储设备，设计并构建了各种形状的自充电储能器件。作者所在课题组构建了基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池（图2 (b)和2 (f)）。

图2 自充电器件示意图。

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自充电原理

自充电储能器件的能量收集单元主要是基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机两类。

在基于摩擦纳米发电机的自充电储能器件中，自充电原理为：摩擦纳米发电机收集环境中的机械能并将其转化为电能，通过变压器和整流器将摩擦纳米发电机产生的交流电转换为直流电并存储于电池或超级电容器中。

通过巧妙地设计实现了上下两个锂离子电池的切换充电，对电子器件的连续运行提供了良好的保障（图3 (c)）。

在基于压电纳米发电机的自充电储能器件中，自充电原理为：压电纳米发电机将外界环境中的压力（机械能）转化为电能并将其存储于能量存储于设备中。其常采用具有压电性质的PVDF或复合膜作为电池的隔膜。

图3  摩擦纳米发电机自充电原理示意图。

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基于纳米发电机的自充电储能器件的应用

图5显示了制备的基于纳米发电机的自充电储能器件可为电子手表、电子计算器、温湿度计、LED灯等小型电子设备提供能量，展现出了广泛的使用范围。

作者课题组制备的自充电锂离子电池充电后可点亮绿色LED，并显现出了良好的柔性及稳定性（图5 (e)）。

图5 自充电储能器件的在驱动微小电子器件方面的应用。

杨亚

（本文通讯作者）

研究员

中国科学院北京纳米能源与系统研究所

主要研究方向：微纳能源与传感
E-mail: yayang@binn.cas.cn

赵坤

（本文第一作者）

副教授

兰州理工大学材料科学与工程学院

有色金属先进加工与再利用国家重点实验室

主要研究方向：微纳能源与传感

E-mail: zhaokun@lut.edu.cn

    

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