直接书写制备高性能柔性无铅压电纳米发电器件

advs随着能源问题的日益突出,能源转换器件呈现出巨大的市场需求。压电纳米发电器件可以将清洁、易得、来源广泛的机械能转换为电能,因而近年来受到高度关注,而柔性无铅压电纳米发电器件因其环14境友好、使用方便等优点在通讯、医疗、环境等众多领域具有广泛的应用前景。然而,由于器件中压电材料的无序结构等造成了作用应力的不完全利用,使得输出电压较低,限制了其在自供能电子产品中的应用。

中国科学院化学研究所宋延林研究员及其团队利用高效简便无模板的直接书写方法制备了高性能压电纳米发电器件。他们制备了高压电常数和高长径比的铌酸钾钠盐纳米棒,将其与聚二甲基硅氧烷复合制成压电墨水。在底层电极上按照预定图案直接书写压电墨水制备压电层,覆盖上层电极并封装获得压电纳米发电器件。通过调控墨水的组成及粘弹性,同时实现了压电纳米棒的剪切取向及图案化制备。控制压电纳米线的取向及压电层的一维图案方向与外力方向一致,保证了外力集中于纳米棒的长度方向,实现其更大的形变,从而显著提高了输出电压。研究表明,利用该方法制备的器件的输出电压较传统旋涂法提高了4倍,与通过有限元法计算的结果匹配。基于这种层层打印的方法,可以制备多层器件,获得输出电压约为72.2V的压电纳米发电器件,并应用于感应机械运动和驱动照明器件。

该方法为制备高性能柔性能量转换器件提供了新的思路,对自供能传感器、可移动电子器件等设备的研究开发和应用具有重要意义。相关研究结果近期发表在Advanced Science杂志 (DOI: 10.1002/advs.201600120)。