Appl.?Phys. Rev. 特邀綜述：壓電能量收集技術在材料、機制、應用等方面的研究進展綜述（蘇州大學/新加坡國立大學/加州大學伯克利分校）

【前言】

在過去十幾年，能量收集技術得到了顯著發展，能量收集器通過將環境能源轉換為電能，可以為小型低功耗設備進行可持續的供電，在無線傳感、數據傳輸、微納驅動、植入式醫療等方面有廣泛應用前景。壓電能量收集技術作為其中的重要研究方向，具有結構簡單、功率密度高和良好的可擴展性等優點，一直備受研究學者關注。然而壓電能量收集器的功率輸出取決于許多內在和外在因素，這導致功率輸出范圍從納瓦到毫瓦量級變化。

【成果簡介】

蘇州大學劉會聰與新加坡國立大學Chengkuo Lee、加州大學伯克利分校 Junwen Zhong，Seung-Wuk Lee,?Liwei?Lin?合作，對壓電能量收集的最新技術進行了系統全面的綜述，討論了影響壓電能量收集器整體性能的各個關鍵方面，包括基本原理和典型結構，無機、有機和生物壓電材料，微納米制造技術，改善性能和拓展工作頻帶的創新機制與方法，代表性應用案例和未來展望等。相關成果以“A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications”為題發表在Applied Physics Reviews.?

圖一：壓電能量收集技術概述構架圖，包括材料和制造技術，基本結構與性能改善機制，以及應用展望。

圖二：壓電材料典型懸臂梁結構示意圖

（a）壓電材料的d33模式和d31模式; （b）串聯和并聯連接的d31模式雙壓電晶片懸臂梁結構示意圖; （c）d31模式和d33模式單壓電晶片懸臂梁結構示意圖。

圖三：典型壓電材料-氧化鋅ZnO

（a）ZnO的原子模型和軸向應變下氧化鋅納米線ZnO NW中壓電電位分布；（b）基于ZnO NW的納米發電機陣列及其SEM圖；（c）該納米發電機陣列的開路電壓和短路電流輸出圖。

圖四：典型壓電材料-鋯鈦酸鉛PZT

（a）PZT的原子模型;（b）采用氣溶膠沉積和ILLO轉印工藝制備的柔性PZT能量采集器的工藝示意圖；（c）當人手彎曲柔性PZT能量收集器可點亮208個藍色LED；（d）基于KNLN的柔性壓電能量收集器；（e）柔性KNLN能量收集器產生的輸出電壓和電流信號。

圖五：典型壓電材料-聚偏氟乙烯PVDF

（a）β相PVDF的分子模型；（b）基于近場靜電紡絲技術制備PVDF壓電納米發電機；（c）具有不同特征尺寸的PVDF納米發電機的能量轉換效率的曲線圖；（d）規則陣列的P（VDF-TrFE）纖維膜的照片和SEM圖像；（e）基于P（VDF-TrFE）的發電機在1Hz循環彎曲下的開路電壓；（f）全纖維壓電織物的橫截面SEM圖像；（g）2D和3D壓電織物在施加壓力后的總輸出功率變化。

圖六：典型壓電材料-壓電駐極體

（a）具有微氣泡結構的壓電駐極體聚合物（細胞丙烯-cellular propylene）；（b）蜂窩狀壓電駐極體內部的電偶極子的示意圖；（c）蜂窩狀駐極體能量收集器的工作機理示意圖；（d）PET / EVA / PET夾層結構壓電陶瓷的當量d33壓電系數值；（e）壓電駐極體能量收集器的峰值電流和功率密度輸出。

圖七：生物壓電材料

（a）具有壓電特性的M13噬菌體；（b）基于M13噬菌體的能量收集器照片；（c）基于M13噬菌體的能量收集器峰值電流幅度與應變和應變率的關系圖； （d）基于CatlaCatla魚的魚鰾的壓電發電機照片；（e）基于魚鰾的發電機的不同應力的整流后輸出電壓曲線。

圖八：壓電懸臂梁微制造工藝流程

通過使用（a）PZT壓電薄膜沉積工藝；（b）CMOS兼容AlN薄膜沉積工藝; （c）PZT壓電厚膜鍵合減薄工藝，實現微結構梁制備。

圖九：生長-圖形化-轉移技術制備柔性壓電能量收集器

（a）基于激光剝離的壓電薄膜能量收集器; （b）使用犧牲層實現轉移的帶狀PZT納米發電機; （c）通過轉移技術在塑料基板上制備鈦酸鋇壓電薄膜納米發電機。

圖十：多自由度彈簧-質量結構

（a）串聯型彈簧-質量結構; （b）三級聯壓電梁結構；（c）并聯型彈簧-質量結構；（d）基于三彈簧并聯結構的多模態壓電能量收集器。

圖十一：非線性振動能量收集器特性分析

不同非線性振動能量收集器的（a）彈性恢復力和（b）勢能阱; （c）單穩態振子的頻率響應。

圖十二：常見的單穩態壓電能量收集器結構配置

通過引入（a）機械拉伸; （b）機械預載; 和（c）磁力，實現非線性頻率響應。

圖十三：常見的雙穩態壓電能量收集器結構配置

（a）磁性吸引誘導的雙穩態特性; （b）磁性排斥誘導的雙穩態特性; （c）機械載荷引起的雙穩態特性。

圖十四：可穿戴和植入式方面的能量收集技術

（a）壓電驅動鞋可實現無線射頻標簽發射; （b）使用PVDF卷制作的鞋內底計步器; （c）動能收集數據記錄器識別人體活動; （d）可穿戴式自供電呼吸傳感器;（e）用于心臟起搏器的微型血壓能量收集器; （f）使用柔性PIMNT能量收集裝置進行實時自供電深部腦刺激;（g）基于壓電薄膜的可植入和自供電的血壓監測; （h）采集心臟跳動的柔性能量采集器實現自供電無線傳輸。

圖十五：自供電無線傳感節點

（a）自供電無線溫濕度傳感節點; （b）自供電微型壓電收集系統集成; （c）信用卡大小的自供電智能標簽; （d）MicroGen公司為工業和建筑無線傳感器應用提供的微能源產品

文章鏈接：A Comprehensive Review on Piezoelectric Energy Harvesting Technology: Materials, Mechanisms and Applications，Applied Physics Reviews 5, 041306 (2018); doi: 10.1063/1.5074184

本文由蘇州大學劉會聰團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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