柔性PVDF基压电纳米发电机的最新进展综述

近年来，随着物联网（IoT）和便携式可穿戴设备的快速发展，将电子器件与纺织品相结合而制得的可穿戴电子织物（E-textiles）成为能量收集领域的热门话题。传统储能设备是刚性的且不易集成到可穿戴设备之中。因此，亟待开发小型化、轻便且绿色的供电设备。身体运动和行走等机械能可通过压电纳米发电机（PENG）有效地转化为电能，由于其环境适应性强、结构简单、重量轻等特点，已被广泛应用于能量采集。已有研究人员开发了基于薄膜的PENG，可产生较高的压电响应，但其较差的柔韧性限制了实用性。将纺织品与PENG相结合以构建柔性PENG有望成为可穿戴电子织物的理想能量来源。由于其固有的机械柔韧性，纺织材料可融入服装和医疗保健等多个领域，这对可穿戴电子产品的大规模生产至关重要。

自2006年发明PENG以来，它已被用于传感器并广泛应用于监测、人机界面、能量收集和医疗科学。虽然锆钛酸铅（PZT，d33=∼304 pCN⁻¹）是最高效的压电材料之一，但其高达60%的铅含量和高刚性限制了其应用。聚偏二氟乙烯（PVDF）及其聚合物凭借其柔韧性、无毒、易加工性以及生物相容性等特点成为热门研究课题。PVDF基纺织品由于具有柔韧性，很容易加工成纤维、纱线和织物。由PVDF基纺织品制成的PENG被称为柔性PVDF基PENG，包括纤维基、纱线基和织物基PENG。通过缝纫、编织等方式将柔性PVDF基PENG与服装相结合，可为可穿戴设备提供电源解决方案。与压电陶瓷相比，PVDF的压电系数较低（d33=∼-33 pCN⁻¹）。因此，提高PVDF的压电系数，对于柔性PVDF基PENG来说至关重要。

关于柔性PVDF基PENG的研究已有很多。其中，大部分主要讨论了柔性PVDF基PENG的压电性能增强问题。已有研究不同制造方法对柔性PVDF基PENG的影响。例如，熔融纺丝、溶液纺丝、静电纺丝和3D打印等。然而，制造方法并不是提高柔性PVDF基PENG压电性的根本方法。许多研究人员尝试通过结构设计来提高其压电性，如微结构、核壳结构、多孔结构等。此外，添加填料是另一种可行的方法。填料包括无机材料，如PZT、钛酸钡（BaTiO₃）、氧化锌以及CsPbBr₃；碳基材料，如碳纳米管；以及导电材料，如MXene。然而，柔性PVDF基PENG仍然存在一些关键问题，如压电输出性能低、耐洗性差以及耐久性差等。

目前已有综述研究了基于静电纺丝纳米纤维的PENG或传感器，以及基于PVDF的压电材料的压电特性。然而，鲜有综述关注基于PVDF的纺织品PENG。据麦姆斯咨询介绍，西安工程大学纺织科学与工程学院、服装与艺术设计学院的研究人员近期发表了一篇题为“Recent progress on flexible poly(vinylidene fluoride)-based piezoelectric nanogenerators for energy harvesting and self-powered electronic applications”的综述文章，介绍了能量收集和自供电电子设备应用的柔性PVDF基PENG的最新进展。文章首先介绍了PVDF及其聚合物的基本原理。然后，讨论了柔性PVDF基PENG制造技术的最新进展及其差异，主要包括静电纺丝、熔融纺丝、溶液吹塑纺丝（SBS）和3D打印。文章从织物结构的角度，系统总结了近年纺织基PENG的最新研究进展，包括纤维基、纱线基和织物基PENG。文章重点讨论了柔性PVDF基PENG在自供电电子设备中的应用。最后，展望了柔性PVDF基PENG可能面临的挑战及其未来发展方向。

（a）PVDF化学结构；（b）α、β、γ相结构示意图；（c）增加β相的五种方法

基于PVDF/钛酸钡织物传感器的护膝应用

柔性PVDF基PENG在自供电电子设备中的应用

本研究回顾并批判性地讨论了能量收集和自供电设备应用的柔性PVDF基PENG的最新进展。提高PVDF基材料压电输出性能的关键是增加其β含量。静电纺丝可以提高β含量，因此静电纺丝复合纤维基PENG具有较高的输出性能。3D打印可以实现PVDF基自极化PENG，为自由极化压电器件提供了一种新方法。此外，与织物基PENG相比，纱线基PENG具有可加工性和结构多样性的优势，有望成为该领域的一个重要研究方向。PVDF基PENG正广泛应用于自供电传感器，未来应在提高输出性能的基础上，进一步研究其耐磨性和灵敏度。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114285

 

 

 

审核编辑：刘清