多孔薄膜的压电-介电耦合研究,实现发电性能提升

1. 论文背景:

在生物系统中,将低频和微弱的机械能转化为电能无时无刻地发生着,用于实现信号传导或为其他功能单位提供电能,例如:神经细胞、骨组织,电信号尤其重要,这种耗能极小但又可以有效感知或传递能量的方式十分高效,激发了类似能量转换材料的开发和研究。其相关的压电-介电耦合能量转换,在人造材料和器件中也经常发生,但对其发电特性和机理缺少系统研究。

2. 成果简介:

最近,中国地质大学(北京)材料学院佟望舒副教授(第一兼通讯作者)、安琪教授(通讯作者)以及张以河教授(通讯作者)共同研发了具有压电-介电耦合现象的多孔薄膜,并建立耦合模型,在简易模型中量化发电电压和电能,并通过实验结合仿真模拟验证模型,系统研究压电-介电耦合这一现象,有助于进一步理解相关生物现象,以及激发相关能量转换材料和器件的开发。该工作以“Enhanced Electricity Generation and Tunable Preservation in Porous Polymeric Materials via Coupled Piezoelectric and Dielectric Processes”发表在Advanced Materials。

中国地质大学佟望舒/安琪/张以河《AM》:多孔薄膜的压电-介电耦合研究,实现发电性能提升

3. 图文导读:

中国地质大学佟望舒/安琪/张以河《AM》:多孔薄膜的压电-介电耦合研究,实现发电性能提升
图1. 复合薄膜的压电-介电耦合示意图以及低于和高于渗流阈值时的开路电压随时间变化关系图

 

解析:在压电聚合物中添加导电填料,当低于渗滤阈值时,能够有效地将低频机械能转换为电能,产生的开路电压在力撤去后逐渐降低为0,呈现压电-介电耦合效应。当填料含量增加超过渗透阈值时,导电填料呈现屏蔽效果,无法进行压电-介电耦合。

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图2. 多孔膜形貌及不同填料含量的多孔膜开路电压

 

解析:采用PVDF-HFP为压电基体,碳黑为导电填料,引入多孔结构,通过机械受力产生压电电场诱导材料内部的碳黑,实现碳黑极化,同时通过多孔结构实现了材料受力过程中的结构明显变化,使得发电电压放大和保持时间增长。

中国地质大学佟望舒/安琪/张以河《AM》:多孔薄膜的压电-介电耦合研究,实现发电性能提升
图3. 多孔薄膜形变过程中,当偶极子长度改变时,压电-介电耦合过程的示意图

 

解析:形变带来的厚度变化倍数是决定电压增大倍数的关键因素之一,同时孔结构阻断导电通路,降低了极化电荷恢复速度,提升了电压保持时间。在多孔薄膜变形的过程中,当偶极子长度改变时,通过相反极化电荷之间的距离拉长,可以有效提升机械能到电能的转化,进一步提高开路电压值和电能。

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图4. 压电-介电耦合薄膜及压电-感应电荷耦合的应用

 

解析:团队利用压电-介电耦合薄膜或压电-感应电荷耦合,已将其应用在传感、药物释放、活性分子控释、表面拉曼增强、光催化增强以及发光等领域(Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 2649., Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7029., Nano Energy 2018, 53, 513., Small 2018, 14, 1802136., Nanoscale 2019, 11, 14372., Nanoscale 2018, 10, 5489.)

4. 小结:

该压电-介电耦合的能量转换在很多复合材料和自然系统中存在,该模型的建立希望有助于理解生物体系中已有的类似现象,同时激发新材料的设计和优化,以适应各种机械类型以及不同频率力的刺激和作用,实现高效的电能转化。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003087

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