DOI: 10.3390/cryst11020085

自供电传感器的开发正朝着小型化的方向发展，这就需要合适的电源来支持其运行。压电纳米发电机（PENG）是一种潜在的候选产品，可作为抑制不断增长的能源需求的部分解决方案。本文主要研究了基于柔性聚合物-陶瓷复合薄膜的PENG的开发。X射线能谱表明，BTO颗粒具有四方对称性，而PVDF-BTO复合膜（CF）具有混合相。PVDF聚合物的介电常数随着粒子的引入而增大，对于所有组分而言，复合膜的损耗要小得多。BTO颗粒具有结构多样性，且不含铅，可进一步用于制备CF。本研究试图设计出一种基于PVDF-BTO CFs的坚固、可扩展且经济高效的压电纳米发电机。与旋涂、静电纺丝或超声处理相比，溶剂浇铸法是一种简便的方法。将BTO颗粒引入PVDF中可提高复合膜的介电常数和极化。此外，可以通过诸如内部极化放大之类的策略来提高单层设备的输出，这可以借助PVDF-BTO复合膜的极化电场环路来进行确认。含10wt％BTO-PVDF CF的压电纳米发电机在100MΩ的电压下可提供7.2V的输出电压，38nA的电流，0.8μW/cm2的功率密度。最后，需要在所制备的PENG上进行投币、吹气和敲击手指等活动来完成能量收集。研究发现，使用PENG器件对10μF电容器进行充电可成功为计算器等低功耗电子设备供电。

图1.粒子和压电纳米发电机的合成；（a）通过固态反应方法制备BaTiO3颗粒，以及多晶颗粒的表面形态；（b）形成PVDF-BTO复合膜的溶剂浇铸路线和系统步骤，复合膜的接触角表明其表面具有疏水性；（c）BaTiO3颗粒的XRD图，（d）PVDF-BaTiO3复合膜的XRD图，其PVDF基体中嵌入了不同重量百分比的颗粒（1、5、7、10wt％）。

图2.PVDF-BTO复合膜的性能；（a）纯PVDF和PVDF-BTO复合膜的表面形态（1、5、7、10wt％）；PVDF-BTO的EDS光谱证实10wt％BTO成功嵌入PVDF中，所有元素与其化学成分完全匹配；（b，c）纯PVDF和复合膜的介电常数和介电损耗；（d）柔性PNG10压电纳米发电机装置的图像。

图3.压电纳米发电机实验。（a）所制备的压电发电机的工作机理，（b）表示施加不同电压时的极化和偶极排列，（c）压电纳米发电机装置的逐层示意图，（d，e）不同组成的压电纳米发电机的电压和电流，（f）PNG10器件的反向和正向电压/开关极性测试。

图4.压电纳米发电机的电响应。（a，b）在不同加速度/频率下PNG10器件的电压和电流测定结果，（c）瞬时输出功率密度与不同外部负载电阻的函数关系，（d）具有不同电容的两个电容器的充电曲线，（e）4.7μF电容器的充电和放电曲线，显示该器件具有稳定的输出，（f）不同电容器中存储的电荷量。

图5.用于收集能量和为电子设备供电。（a）当硬币掉落在PNG-10上时的电响应；（b）连接到风扇时PNG-10装置的电响应；（c，d）手指轻敲时PNG10器件的电压和电流响应，（e）并联两个PNG10器件并为10μF电容器充电，（f）给低功率设备（如计算器）供电（关闭和开启条件下）。