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混合纳米压电材料极大地提高摩擦发电器件的输出功率
可穿戴电子设备以及植入式电子设备的发展一直受到内置电池使用寿命不长的严重限制。为了解决此问题，人们研制了各种微型发电机用以收集不同形式的能量、并转化为电能，并期待其在不久的未来能够替代传统微型电池为这些小型电子设备进行供电。目前最常用的是基于压电材料的微型发电机，但是其所能产生的电能在几十微瓦量级，不能满足实用的要求。近期研发出来的、基于摩擦原理的微型发电机，其输出电压高、能量密度已达毫瓦量级，可以满足穿戴式电子的需求。
聚偏氟乙烯（PVDF）材料，特别是β晶相的聚偏氟乙烯，由于其含有强电负性的氟链段以及平面曲折链结构，使其非常容易在接触过程中从其他材料中获得电子，因此被广泛用于各种摩擦电发电器件及系统中。在过去的研究中，人们利用一些化学或物理的表面处理工艺，提高了聚偏氟乙烯材料的有效接触面积，提高了摩擦发电机的输出功率和能量转化效率。但是由于材料本身表面电荷密度的限制，发电器件的输出效果依然不尽如人意，限制了其实际的应用。
近日，英国博尔顿大学的骆季奎教授所带领的团队通过在聚偏氟乙烯中掺压电纳米材料锡酸锌(ZnSnO3)，进一步提高了以聚偏氟乙烯为基础材料的微型摩擦发电机的发电效率。纳米锡酸锌(ZnSnO3)压电材料具有很好的压电特性，通过精准控制的高温熔化以及高速螺旋搅拌，使得锡酸锌纳米材料均匀地分布在聚偏氟乙烯基融液中，并通过挤压后的水浴切割过程获得直径约为2毫米的圆柱形复合材料。所获得的复合材料在常温条件下通过二甲基甲酰胺（DMF）溶解、旋转涂布、相转换过程制得厚度约为5微米的薄膜并以此为接触材料制作摩擦发电机。研究表明通过混合一定比例（6 wt%）的锡酸锌，能有效提高聚偏氟乙烯相转换成膜过程中β晶相的含量（从~53%提升到~73%）。由于高浓度的β晶相聚偏氟乙烯及锡酸锌纳米压电材料的存在，在接触力的作用下这两种压电材料会产生大量的电荷并注入到聚偏氟乙烯材料中，有效地提高了聚偏氟乙烯材料表面的极化现象以及电荷密度。因此在摩擦和压电两种效应的共同作用下，此方法能极大地提升发电过程中材料接触后的表面电荷密度，从而大幅提高了器件的输出功率和发电效率。
该团队用聚偏氟乙烯/锡酸锌复合材料薄膜作为负极性接触材料，尼龙（PA6）薄膜作为正极性材料，研制了复合材料/尼龙摩擦发电机。在不同接触力及工作频率下的测试中发现，相较于纯聚偏氟乙烯薄膜，使用聚偏氟乙烯/锡酸锌复合材料薄膜所制作的摩擦发电机的开路电压以及短路电流密度分别提升~70%以及~200%。该器件在测试中还表现出了良好的稳定性以及可重复性，重复测试上万次，输出特性基本维持不变。值得强调的是，由于尼龙薄膜表面的多孔性结构，在接触力1000N的范围内，其开路电压与接触力的线性关系并维持不变，表明此器件不仅可以用作高效的微能量源，还可以用来制作感应范围大，灵敏度高的压力传感器，构成自供能压力传感器系统。
聚偏氟乙烯和尼龙薄膜，及聚偏氟乙烯/锡酸锌和尼龙薄膜摩擦发电机输出电压电流特性的比较，复合材料发电机的开路电和短路电流密度分别提升~70%以及~200%。
这种基于相转换制膜方法所制得的微型发电机不仅具有制作工艺简单，能量转换效率高，无需进行高压极化的优点，更开创了通过简单混合压电纳米材料来提高微能源发电效率的新方法，为进一步展开这方面的研究开启了一种新方法。
由聚偏氟乙烯复合材料和尼龙摩擦发电机点亮的一组发光二极管。
该成果近期发发表在《Nano Energy》上，由博尔顿大学的博士后Navneet Soin博士以及博士生赵鹏飞以共同第一作者发表。
该论文作者为：Navneet Soin, Pengfei Zhao, Kovur Prashanthi, Jinkai Chen, Peng Ding, Erping Zhou, Tahir Shah, Sekhar C. Ray, Christos Tsonos, Thomas Thundat, Elias Siores, Jikui Luo
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
High performance triboelectric nanogenerators based on phase-inversion piezoelectric membranes of poly(vinylidene fluoride)-zinc stannate (PVDF-ZnSnO3) and polyamide-6 (PA6)
Nano Energy, 2016, 30, 470-480, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.10.040