DOI: 10.1021/acsami.2c07911

在当今这个智能电子和物联网（IoT）盛行的时代，对柔性可穿戴设备的需求非常之高。在此，本研究开发了一种基于具有增强电活性相的电纺聚偏氟乙烯（PVDF）-钛酸钡（BaTiO3）（ES PVDF-BT）复合纳米纤维的高输出柔性压电纳米发电机（PENG）。添加10wt%BaTiO3纳米颗粒后，由于四方BaTiO3纳米颗粒与铁电主体聚合物基质在静电纺丝过程中的协同界面相互作用，PVDF的电活性β相升高至91%。制造的PENG器件提供了～50V的开路电压和～0.312mA/m2的短路电流密度。此外，基于PVDF-BT纳米纤维的PENG器件的输出功率密度约为4.07mW/m2，比原始PVDF纳米纤维基PENG器件高出10倍。而且，经证实，所开发的PENG可实现自供电实时振动传感应用，例如映射来自故障CPU风扇、硬盘驱动器和电动缝纫机的机械振动。

图1.示意图显示了电纺纤维的制备和PENG装置的制造步骤。（a）静电纺丝溶液的制备，（b）静电纺丝过程，（c）热压静电纺丝纤维的照片，（d）使用Blender软件进行三维渲染的PENG装置结构，以及（e）所制造的PENG装置的照片。

图2.使用（a）XRD、（b）FTIR、（c）SEM和（d）TEM对BT纳米颗粒进行结构和形态表征。

图3.（a）ES PVDF纳米纤维的SEM图像和（b）直径分布统计。（c）ES PVDF-10BT纳米纤维的SEM图像和（d）直径分布统计。

图4.（a）具有不同重量百分比BT纳米粒子的热压ES PVDF纳米纤维的FTIR分析，（b）热压ES PVDF纳米纤维与其他PVDF样品的FTIR分析，（c）具有不同重量百分比BT纳米颗粒的热压ES PVDF纳米纤维的WAXS分析，以及（d）热压ES PVDF纳米纤维与其他PVDF样品的WAXS分析。

图5.压电纳米发电机（PENG）的工作机理；（a）没有施加力时，电偶极子沿着它们各自的对准轴随机振荡，（b）垂直冲击下所有偶极子在特定方向上对齐，以及（c）在去除力的情况下偶极子在相反方向上对齐。

图6.含ES PVDF-10BT的PENG与含ES PVDF纳米纤维的PENG的（a）开路电压和（b）短路电流比较，（c）含ES PVDF的PENG的功率密度图，（d）含ES PVDF-10BT的PENG的功率密度图，（e）含ES PVDF-10BT的PENG的电容器充电特性，以及（f）含ES PVDF-5BT、ES PVDF-10BT和ES PVDF-15BT的PENG的开路电压比较。

图7.（a）通过记录设备连续运行长达10,000次循环的开路电压以测试PENG的可靠性，（b）6个月后所开发PENG的稳定性。

图8.PENG作为自供电振动传感器的演示；（a）附在HDD上的PENG的照片和（b）开路电压，（c）附在CPU风扇上的自供电振动传感器的照片和（d）开路电压，以及（e）附在电动缝纫机上的自供电振动传感器的照片和（f）开路电压。