反向极化铁电薄膜实现高性能类摩擦电纳米发电机

摩擦电纳米发电机（TENG），是通过表面静电充电和静电感应效应相结合将机械能转化为电能的可持续能量转换手段。TENG与微电子机械系统静电发电机类似，不同之处在于TENG不由外部电压充电，其电荷来源是两种材料接触和分离时形成的表面电荷。为提高TENG性能，需要选择合适的材料组合。可以参考摩擦电序，查询某材料与不同材料接触时带正电或负电的趋势。摩擦电序顶部材料与底部的材料接触，则可以产生最高的净表面电荷。然而摩擦电序是经验性结论，不同实验间也存在差异。其他增加净静电表面电荷的方法则是改变材料的表面化学性质或通过纳米结构增加两个表面之间的接触面积。

成果简介

近日，拉脱维亚里加工业大学Andris ?utka教授（通讯作者）团队报道了研究铁电聚合物膜摩擦电纳米发电机性能增强机制，并利用反向极化铁电薄膜实现高性能类摩擦电发电机的工作。该研究发表于Energy ＆ Environmental Science，题为“Inversely polarised ferroelectric polymer contact electrodes for triboelectric－like generators from identical materials”。人们普遍认为铁电聚合物膜TENG性能的提高是因为铁电聚合物绝缘体“有效功函数”的调制反过来也增强了TENG电极间的电荷转移。该研究在实验上验证了以上理论是错误的，Andris ?utka教授团队观察到铁电聚合物膜TENG性能的增强源于压电电荷的驱动作用。通过使PDMS和极化的聚偏二氟乙烯（PVDF）相接触，Andris ?utka教授团队观察到该TENG的输出电压明显高于基于PDMS和非极化PVDF的TENG的输出电压。并且，使相对的TENG电极层接触相同但反向偏振的PVDF膜时，可以观察到更高的输出电压。进而，该工作实现了利用反向极化的聚偏乙烯薄膜构建新型压电静电发生器（PEEG），新型PEEG表现出比TENG更好的机械能电能转换性能。

图文导读

图1． PVDF膜制备与表征

（a）．摩擦力发电器件的高孔隙PVDF接触层的制备过程示意图。

（b， c）．用甲醇作为反溶剂进行浸渍沉淀而获得的PVDF膜的SEM图像和AFM图像。

（d）．50cm2 PVDF样品照片。

（e）．PVDF中偶极取向示意图。

（f）．1220cm－1至1300cm－1（上）和740cm－1至850cm－1（下）的非极化PVDF，100℃热处理非极化PVDF，PVDF “＋”和PVDF “－”衰减全反射傅立叶红外光谱（ATR－FITR）。

图2． 基于PVDF“＋”的TENG和PEEG性能测试

（a， b）． 在摩擦电和压电模式下（两种模式如插图中的示意图所示）测量的极化和非极化PVDF的平均输出电压和短路峰值电流。

（c， e）．基于PVDF “＋”的TENG的电压和电流。

（d， f）． 基于PVDF “＋”的PEEG的电压和电流。

图3．压电静电发电机的工作机制

图4． 基于PVDF的TENG性能和基于反向极化PVDF的PEEG原理

（a）．基于PVDF的TENG平均输出电压和短路峰值。

（b）．基于反向极化PVDF层的PEEG的工作原理示意图。

图5． 基于PVDF的PEEG性能测试

（a， b）．非接触模式与接触模式测量切换时，PDMS与非极化PVDF复合结构的输出电压和电流。

（c， d）．非接触模式与接触模式测量切换时，极化PVDF “＋”与PVDF “－”复合结构的输出电压和电流。

小结

基于铁电聚合物膜的摩擦电纳米发电机（TENG）装置的高性能源自压电电荷的静电感应作用，而不是如之前所报道的是由于接触层之间的电子转移而增强。以该机制为出发点，可以构建基于相同材料的反向极化铁电聚合物膜的高效类TENG压电静电发生器（PEEG）。该工作中所提出的能量收集设备在自供电装置中具有很大的应用前景。