DOI: 10.3390/cryst11020085
自供電傳感器的開發正朝著小型化的方向發展，這就需要合適的電源來支持其運行。壓電納米發電機（PENG）是一種潛在的候選產品，可作為抑制不斷增長的能源需求的部分解決方案。本文主要研究了基于柔性聚合物-陶瓷復合薄膜的PENG的開發。X射線能譜表明，BTO顆粒具有四方對稱性，而PVDF-BTO復合膜（CF）具有混合相。PVDF聚合物的介電常數隨著粒子的引入而增大，對于所有組分而言，復合膜的損耗要小得多。BTO顆粒具有結構多樣性，且不含鉛，可進一步用于制備CF。本研究試圖設計出一種基于PVDF-BTO CFs的堅固、可擴展且經濟高效的壓電納米發電機。與旋涂、靜電紡絲或超聲處理相比，溶劑澆鑄法是一種簡便的方法。將BTO顆粒引入PVDF中可提高復合膜的介電常數和極化。此外，可以通過諸如內部極化放大之類的策略來提高單層設備的輸出，這可以借助PVDF-BTO復合膜的極化電場環路來進行確認。含10wt％BTO-PVDF CF的壓電納米發電機在100MΩ的電壓下可提供7.2V的輸出電壓，38nA的電流，0.8μW/cm2的功率密度。最后，需要在所制備的PENG上進行投幣、吹氣和敲擊手指等活動來完成能量收集。研究發現，使用PENG器件對10μF電容器進行充電可成功為計算器等低功耗電子設備供電。
圖1.粒子和壓電納米發電機的合成；（a）通過固態反應方法制備BaTiO3顆粒，以及多晶顆粒的表面形態；（b）形成PVDF-BTO復合膜的溶劑澆鑄路線和系統步驟，復合膜的接觸角表明其表面具有疏水性；（c）BaTiO3顆粒的XRD圖，（d）PVDF-BaTiO3復合膜的XRD圖，其PVDF基體中嵌入了不同重量百分比的顆粒（1、5、7、10wt％）。
圖2.PVDF-BTO復合膜的性能；（a）純PVDF和PVDF-BTO復合膜的表面形態（1、5、7、10wt％）；PVDF-BTO的EDS光譜證實10wt％BTO成功嵌入PVDF中，所有元素與其化學成分完全匹配；（b，c）純PVDF和復合膜的介電常數和介電損耗；（d）柔性PNG10壓電納米發電機裝置的圖像。
圖3.壓電納米發電機實驗。（a）所制備的壓電發電機的工作機理，（b）表示施加不同電壓時的極化和偶極排列，（c）壓電納米發電機裝置的逐層示意圖，（d，e）不同組成的壓電納米發電機的電壓和電流，（f）PNG10器件的反向和正向電壓/開關極性測試。
圖4.壓電納米發電機的電響應。（a，b）在不同加速度/頻率下PNG10器件的電壓和電流測定結果，（c）瞬時輸出功率密度與不同外部負載電阻的函數關系，（d）具有不同電容的兩個電容器的充電曲線，（e）4.7μF電容器的充電和放電曲線，顯示該器件具有穩定的輸出，（f）不同電容器中存儲的電荷量。
圖5.用于收集能量和為電子設備供電。（a）當硬幣掉落在PNG-10上時的電響應；（b）連接到風扇時PNG-10裝置的電響應；（c，d）手指輕敲時PNG10器件的電壓和電流響應，（e）并聯兩個PNG10器件并為10μF電容器充電，（f）給低功率設備（如計算器）供電（關閉和開啟條件下）。
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