柔性PVDF基壓電納米發(fā)電機的最新進展綜述

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和便攜式可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，將電子器件與紡織品相結(jié)合而制得的可穿戴電子織物（E-textiles）成為能量收集領(lǐng)域的熱門話題。傳統(tǒng)儲能設(shè)備是剛性的且不易集成到可穿戴設(shè)備之中。因此，亟待開發(fā)小型化、輕便且綠色的供電設(shè)備。身體運動和行走等機械能可通過壓電納米發(fā)電機（PENG）有效地轉(zhuǎn)化為電能，由于其環(huán)境適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點，已被廣泛應(yīng)用于能量采集。已有研究人員開發(fā)了基于薄膜的PENG，可產(chǎn)生較高的壓電響應(yīng)，但其較差的柔韌性限制了實用性。將紡織品與PENG相結(jié)合以構(gòu)建柔性PENG有望成為可穿戴電子織物的理想能量來源。由于其固有的機械柔韌性，紡織材料可融入服裝和醫(yī)療保健等多個領(lǐng)域，這對可穿戴電子產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。

自2006年發(fā)明PENG以來，它已被用于傳感器并廣泛應(yīng)用于監(jiān)測、人機界面、能量收集和醫(yī)療科學。雖然鋯鈦酸鉛（PZT，d33=～304 pCN?1）是最高效的壓電材料之一，但其高達60%的鉛含量和高剛性限制了其應(yīng)用。聚偏二氟乙烯（PVDF）及其聚合物憑借其柔韌性、無毒、易加工性以及生物相容性等特點成為熱門研究課題。PVDF基紡織品由于具有柔韌性，很容易加工成纖維、紗線和織物。由PVDF基紡織品制成的PENG被稱為柔性PVDF基PENG，包括纖維基、紗線基和織物基PENG。通過縫紉、編織等方式將柔性PVDF基PENG與服裝相結(jié)合，可為可穿戴設(shè)備提供電源解決方案。與壓電陶瓷相比，PVDF的壓電系數(shù)較低（d33=～-33 pCN?1）。因此，提高PVDF的壓電系數(shù)，對于柔性PVDF基PENG來說至關(guān)重要。

關(guān)于柔性PVDF基PENG的研究已有很多。其中，大部分主要討論了柔性PVDF基PENG的壓電性能增強問題。已有研究不同制造方法對柔性PVDF基PENG的影響。例如，熔融紡絲、溶液紡絲、靜電紡絲和3D打印等。然而，制造方法并不是提高柔性PVDF基PENG壓電性的根本方法。許多研究人員嘗試通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高其壓電性，如微結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。此外，添加填料是另一種可行的方法。填料包括無機材料，如PZT、鈦酸鋇（BaTiO?）、氧化鋅以及CsPbBr?；碳基材料，如碳納米管；以及導電材料，如MXene。然而，柔性PVDF基PENG仍然存在一些關(guān)鍵問題，如壓電輸出性能低、耐洗性差以及耐久性差等。

目前已有綜述研究了基于靜電紡絲納米纖維的PENG或傳感器，以及基于PVDF的壓電材料的壓電特性。然而，鮮有綜述關(guān)注基于PVDF的紡織品PENG。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，西安工程大學紡織科學與工程學院、服裝與藝術(shù)設(shè)計學院的研究人員近期發(fā)表了一篇題為“Recent progress on flexible poly(vinylidene fluoride)-based piezoelectric nanogenerators for energy harvesting and self-powered electronic applications”的綜述文章，介紹了能量收集和自供電電子設(shè)備應(yīng)用的柔性PVDF基PENG的最新進展。文章首先介紹了PVDF及其聚合物的基本原理。然后，討論了柔性PVDF基PENG制造技術(shù)的最新進展及其差異，主要包括靜電紡絲、熔融紡絲、溶液吹塑紡絲（SBS）和3D打印。文章從織物結(jié)構(gòu)的角度，系統(tǒng)總結(jié)了近年紡織基PENG的最新研究進展，包括纖維基、紗線基和織物基PENG。文章重點討論了柔性PVDF基PENG在自供電電子設(shè)備中的應(yīng)用。最后，展望了柔性PVDF基PENG可能面臨的挑戰(zhàn)及其未來發(fā)展方向。

（a）PVDF化學結(jié)構(gòu)；（b）α、β、γ相結(jié)構(gòu)示意圖；（c）增加β相的五種方法

基于PVDF/鈦酸鋇織物傳感器的護膝應(yīng)用

柔性PVDF基PENG在自供電電子設(shè)備中的應(yīng)用

本研究回顧并批判性地討論了能量收集和自供電設(shè)備應(yīng)用的柔性PVDF基PENG的最新進展。提高PVDF基材料壓電輸出性能的關(guān)鍵是增加其β含量。靜電紡絲可以提高β含量，因此靜電紡絲復合纖維基PENG具有較高的輸出性能。3D打印可以實現(xiàn)PVDF基自極化PENG，為自由極化壓電器件提供了一種新方法。此外，與織物基PENG相比，紗線基PENG具有可加工性和結(jié)構(gòu)多樣性的優(yōu)勢，有望成為該領(lǐng)域的一個重要研究方向。PVDF基PENG正廣泛應(yīng)用于自供電傳感器，未來應(yīng)在提高輸出性能的基礎(chǔ)上，進一步研究其耐磨性和靈敏度。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114285

審核編輯：劉清