近日，课题组在基于风能驱动的摩擦纳米发电机和全固态锂离子电池设计的自驱动系统方面取得最新研究进展，并以题“Design of Self-powered System by Wind-Driven Triboelectric Nanogenerator Based on 0.94(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.06Ba(Zr_0.25Ti_0.75)O₃/Polyvinylidene fluoride (BNT-BZT/PVDF) Composites” 在线发表在国际纳米、材料领域著名学术期刊Small (IF:15.153 /Q1)上，该项工作是在导师赵坤指导下主要由硕士研究生孟靖轲完成。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，导师赵坤为第一作者和通讯作者，材料学院孔令斌教授和中国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其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以及高、低温条件下的运行性能被广泛关注。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外接电源周期性充电的问题。

本文以0.94(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.06Ba(Zr_0.25Ti_0.75)O₃/PVDF复合材料和PA作为匹配摩擦电材料构建了收集风能的高输出性能的摩擦纳米发电机。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、Li₇La₃Zr₂O₁₂/ PVDF-HFP为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在58 min内可将全固态锂离子电池电压从0.5 V充至3.8 V。而且，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。

文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202202792