Appl. Phys. Rev. 特邀综述：压电能量收集技术在材料、机制、应用等方面的研究进展综述（苏州大学/新加坡国立大学/加州大学伯克利分校）

【前言】

在过去十几年，能量收集技术得到了显著发展，能量收集器通过将环境能源转换为电能，可以为小型低功耗设备进行可持续的供电，在无线传感、数据传输、微纳驱动、植入式医疗等方面有广泛应用前景。压电能量收集技术作为其中的重要研究方向，具有结构简单、功率密度高和良好的可扩展性等优点，一直备受研究学者关注。然而压电能量收集器的功率输出取决于许多内在和外在因素，这导致功率输出范围从纳瓦到毫瓦量级变化。

【成果简介】

苏州大学刘会聪与新加坡国立大学Chengkuo Lee、加州大学伯克利分校 Junwen Zhong，Seung-Wuk Lee, Liwei Lin 合作，对压电能量收集的最新技术进行了系统全面的综述，讨论了影响压电能量收集器整体性能的各个关键方面，包括基本原理和典型结构，无机、有机和生物压电材料，微纳米制造技术，改善性能和拓展工作频带的创新机制与方法，代表性应用案例和未来展望等。相关成果以“A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications”为题发表在Applied Physics Reviews.

图一：压电能量收集技术概述构架图，包括材料和制造技术，基本结构与性能改善机制，以及应用展望。

图二：压电材料典型悬臂梁结构示意图

（a）压电材料的d33模式和d31模式; （b）串联和并联连接的d31模式双压电晶片悬臂梁结构示意图; （c）d31模式和d33模式单压电晶片悬臂梁结构示意图。

图三：典型压电材料-氧化锌ZnO

（a）ZnO的原子模型和轴向应变下氧化锌纳米线ZnO NW中压电电位分布；（b）基于ZnO NW的纳米发电机阵列及其SEM图；（c）该纳米发电机阵列的开路电压和短路电流输出图。

图四：典型压电材料-锆钛酸铅PZT

（a）PZT的原子模型;（b）采用气溶胶沉积和ILLO转印工艺制备的柔性PZT能量采集器的工艺示意图；（c）当人手弯曲柔性PZT能量收集器可点亮208个蓝色LED；（d）基于KNLN的柔性压电能量收集器；（e）柔性KNLN能量收集器产生的输出电压和电流信号。

图五：典型压电材料-聚偏氟乙烯PVDF

（a）β相PVDF的分子模型；（b）基于近场静电纺丝技术制备PVDF压电纳米发电机；（c）具有不同特征尺寸的PVDF纳米发电机的能量转换效率的曲线图；（d）规则阵列的P（VDF-TrFE）纤维膜的照片和SEM图像；（e）基于P（VDF-TrFE）的发电机在1Hz循环弯曲下的开路电压；（f）全纤维压电织物的横截面SEM图像；（g）2D和3D压电织物在施加压力后的总输出功率变化。

图六：典型压电材料-压电驻极体

（a）具有微气泡结构的压电驻极体聚合物（细胞丙烯-cellular propylene）；（b）蜂窝状压电驻极体内部的电偶极子的示意图；（c）蜂窝状驻极体能量收集器的工作机理示意图；（d）PET / EVA / PET夹层结构压电陶瓷的当量d33压电系数值；（e）压电驻极体能量收集器的峰值电流和功率密度输出。

图七：生物压电材料

（a）具有压电特性的M13噬菌体；（b）基于M13噬菌体的能量收集器照片；（c）基于M13噬菌体的能量收集器峰值电流幅度与应变和应变率的关系图； （d）基于CatlaCatla鱼的鱼鳔的压电发电机照片；（e）基于鱼鳔的发电机的不同应力的整流后输出电压曲线。

图八：压电悬臂梁微制造工艺流程

通过使用（a）PZT压电薄膜沉积工艺；（b）CMOS兼容AlN薄膜沉积工艺; （c）PZT压电厚膜键合减薄工艺，实现微结构梁制备。

图九：生长-图形化-转移技术制备柔性压电能量收集器

（a）基于激光剥离的压电薄膜能量收集器; （b）使用牺牲层实现转移的带状PZT纳米发电机; （c）通过转移技术在塑料基板上制备钛酸钡压电薄膜纳米发电机。

图十：多自由度弹簧-质量结构

（a）串联型弹簧-质量结构; （b）三级联压电梁结构；（c）并联型弹簧-质量结构；（d）基于三弹簧并联结构的多模态压电能量收集器。

图十一：非线性振动能量收集器特性分析

不同非线性振动能量收集器的（a）弹性恢复力和（b）势能阱; （c）单稳态振子的频率响应。

图十二：常见的单稳态压电能量收集器结构配置

通过引入（a）机械拉伸; （b）机械预载; 和（c）磁力，实现非线性频率响应。

图十三：常见的双稳态压电能量收集器结构配置

（a）磁性吸引诱导的双稳态特性; （b）磁性排斥诱导的双稳态特性; （c）机械载荷引起的双稳态特性。

图十四：可穿戴和植入式方面的能量收集技术

（a）压电驱动鞋可实现无线射频标签发射; （b）使用PVDF卷制作的鞋内底计步器; （c）动能收集数据记录器识别人体活动; （d）可穿戴式自供电呼吸传感器;（e）用于心脏起搏器的微型血压能量收集器; （f）使用柔性PIMNT能量收集装置进行实时自供电深部脑刺激;（g）基于压电薄膜的可植入和自供电的血压监测; （h）采集心脏跳动的柔性能量采集器实现自供电无线传输。

图十五：自供电无线传感节点

（a）自供电无线温湿度传感节点; （b）自供电微型压电收集系统集成; （c）信用卡大小的自供电智能标签; （d）MicroGen公司为工业和建筑无线传感器应用提供的微能源产品

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

本文由苏州大学刘会聪团队供稿，材料人编辑部编辑。

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