DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108385

为了提高摩擦电纳米发电机（TENG）的输出电荷密度以实现其高性能，提高摩擦电材料的介电常数被认为是一种重要的策略。在此，基于BaTiO₃:La嵌入聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）纳米纤维膜（NM）（BLPT-NM）制备了一种用于能量收集和无线电力传输的高性能TENG。通过简单的静电纺丝和适当的BaTiO₃:La浓度优化，所获得的BLPT-NM显示出增强的电负性和显著增加的介电常数（在10kHz下为38.8）。基于BLPT-NM（3×3cm²）的单电极模式TENG表现出优异的输出性能，功率密度为2.52W/m²（ƒ=1.5Hz），摩擦电荷密度为87.3μC/m²，与基于原始PVDF-TrFE-NM的TENG相比，分别提高了11倍和3倍以上。更重要的是，通过基于BLPT-NM的TENG在直接采集环境生物力学能量后产生的Maxwell位移电流，成功实现了传输电信号的无线电力传输。此外，无线接收的信号可以实时触发一些电子设备的运行。总体而言，这项工作展示了一种提高TENG输出性能的有效策略，并为进一步推动无线电力传输技术的发展铺平了一条新的道路。

图1.BLPT-NM的制备与表征。（a）BLPT-NM的静电纺丝工艺。（b）BaTiO₃:La NPs的SEM图像。插图显示了粒径分布直方图。（c）BaTiO3:La NPs的X射线衍射图。插图显示了对应于衍射角2θ=44°-46°的区域的放大视图（绿色矩形部分）。（d）BaTiO₃:La NPs的拉曼光谱。（e）BaTiO₃:La样品的XPS光谱。插图显示了La3d的XPS光谱。（f）BLPT-NM的SEM图像。插图的放大倍数更高。（g）BLPT纳米纤维的TEM图像。（h）原始PVDF-TrFE-NM和BLPT-NM的FTIR光谱。

图2.基于三种不同NMs的TENG的工作机制和电气输出。（a）TENG的工作机制。（b）基于BPT-NM（BaTiO₃：0-1.5wt%）和BLPT-NM（0.5wt%BaTiO₃:La（0-2.0mol%））的TENGs的开路电压值。基于原始PVDF-TrFE、BPT-NM和BLPT-NM的三种TENG器件的电气输出如下：（c）开路电压，（d）短路电流密度，和（e）转移电荷密度。（f）电流和电压对外部负载电阻的依赖性。（g）三种TENG器件在各种外部负载电阻下的功率密度。（h）基于BLPT-NM的TENG的耐久性。

图3.基于BLPT-NM的TENG的电输出增强机制。（a）通过KPFM测量的三种不同样品的表面电势。（b）腈和BLPT-NM之间电子转移的OEC模型。（c）TENG等效模型示意图。（d）介电常数测量值与频率的函数关系曲线。（e）各种NMs的介电常数（在10kHz下）。（f）介电损耗测量值与频率的函数关系曲线。

图4.基于BLPT-NM的TENG为便携式电子产品供电的演示。（a）为便携式电子设备供电的等效电路。（b）对4.7μF电容器充电时充电电压对工作频率的依赖性。（c）由基于BLPT-NM的TENG充电的几个电容器的电压曲线。（d）TENG点亮一组“HENU”图案的LEDs。TENG在人手敲击下为（e）电子手表和（f）计算器供电的照片。

图5.基于BLPT-NM的TENG的无线电力传输。（a）无线电力传输原理图。（b）手动敲击基于BLPT-NM的TENG的Voc。（c）电压信号和（d）由天线接收的电流信号。（e）峰间电压和电流值对传输距离的依赖性。当无线电能通过空气和自来水（盐水）传输时，分别比较接收到的电流信号（f）和接收到的电压信号（h）。当无线电能通过不同的水传输时，分别比较接收到的电流信号（g）和接收到的电压信号（i）。

图6.基于BLPT-NM的TENG的无线电力传输系统。（a）无线电力传输系统概念图。（b）无线电力传输系统的流程图。（c）电路处理产生的电压信号。通过手动敲击TENG无线触发（d）玩具汽车和（e）计步器运行。