为了解决可穿戴电子设备的供电问题，将基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性压电纳米发电机(PENGs)与纺织品相结合，正在成为一种轻量化、绿色和可持续的能源解决方案，但具有低压电性。鉴于此，西安工程大学研究者发表综述，介绍了基于柔性PVDF压电纳米发电机，用于能量收集和自供电电子应用的最新进展。相关内容以“Recent progress on flexible poly(vinylidene fluoride)-based piezoelectric nanogenerators for energy harvesting and self-powered electronic applications”为题目，发表于期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上。

本文要点：

1、本研究回顾并批判性地讨论了用于能量收集和自供电电子应用的柔性 PVDF 基压电纳米发电机的最新进展。

2、提高 PVDF 基材料压电输出性能的关键是增加 β 相含量。静电纺丝可以提高 β 相含量；因此，静电纺丝复合纤维基压电纳米发电机表现出高输出性能。

3、3D 打印可以实现自极化的 PVDF 基压电纳米发电机，这为无极化压电器件提供了一种新方法。

4、此外，与基于织物的压电纳米发电机相比，基于纱线的压电纳米发电机在加工性和结构多功能性方面具有优势，这可能成为该领域一个重要的研究方向。

5、PVDF 基压电纳米发电机广泛用于自供电传感器，在提高输出性能的基础上，应进一步研究可穿戴性和灵敏度。

增加PVDF中的β含量如何有助于提高纳米发电机的压电性?

增加PVDF中β的含量有助于通过促进β相的形成来增强纳米发电机的压电性，β相是PVDF中最具压电活性的相。与α相相比，β相具有更高的压电系数，从而提高了纳米发电机的压电性能。利用静电纺丝和结构设计等技术可以增加PVDF中的β含量，从而提高纳米发电机的整体压电输出。

这篇综述的主要发现和见解包括：

1. 探索了各种制备方法，如静电纺丝、熔融纺丝、溶液吹纺和3D打印，以提高柔性PVDF基PENGs的压电性能。

2. 将特定浓度的压电填料（如PZT）引入PVDF可以显著改善纳米发电机的压电输出性能。

3. 近年来，基于纺织品的PENGs，包括基于纤维、纱线和织物的PENGs，在能量收集应用方面取得了令人期待的进展。

4. 将PVDF基PENGs与纺织品相结合为可穿戴技术领域提供了可持续的能源解决方案，特别是在自供电电子应用领域。

5. 未来的研究方向可能集中在进一步提高柔性PVDF基PENGs的压电性能、耐久性和穿着舒适性，以增强它们在能量收集和自供电传感应用中的性能。

图1 a. PVDF的化学结构。b. α、β和γ相结构示意图。c.提高β相含量的五种方法。

图2 a.静电纺丝过程。b. P(VDF-TrFE)纳米纤维PENG。c. PVDF/BaTiO₃纳米纤维PENG。d. P(VDF-TrFE)/pBTNW纳米纤维PENG。

图3 a.熔融纺丝工艺，黄色表示聚合物。b.具有不同仿生截面形态的BaTiO3/PVDF纤维的SEM图像。

图4 SBS的制造过程。

图5 a.机械定向应力场和(3 × 3)传感器阵列示意图。b.弯曲模式下3D打印PENG及其变形机理。c. 3D打印PENG作为手语翻译应用。d.基于TMSPM改性BaTiO₃/PPENG(VDF-TrFE)复合材料的PENG。

图6 a.基于P(VDF-TrFE) NFs/SW碳纳米管光纤的PENG器件及其应用。b.无喷嘴制备的海绵状PVDF/PEO静电纺纳米纤维及其应用。c.静电纺丝法制备同轴PC/PVDF-TrFE纳米纤维示意图。

图7 a. PVDF/镀银尼龙压电纱的制造工艺。b.采用静电纺丝和二维织造技术相结合制备PVDF/导电尼龙芯套结构压电纱。c. β相PVDF(下)和CsPbI₂Br(上)的晶体结构;和PVDF/CsPbI₂Br纳米纤维到PVDF/CsPbI₂Br压电纱。d.BaTiO₃/P(VDF-TrFE)压电纱制造工艺及其应用。

图8 用于自供电电子应用的压电纳米发电机。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114285