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A durable and stable piezoelectric nanogenerator with nanocomposite nanofibers embedded in an elastomer under high loading for a self-powered sensor system

材料科学 纳米纤维 纳米发生器 纳米复合材料 压电 耐久性 弹性体 复合材料 锆钛酸铅 钛酸钡 纳米技术 陶瓷 光电子学 铁电性 电介质
作者
Saqib Siddiqui,Do‐Il Kim,Eun Roh,Le Thai Duy,Tran Quang Trung,Minh Triet Nguyen,Nae‐Eung Lee
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:30: 434-442 被引量:169
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2016.10.034
摘要

Practical usage of piezoelectric nanogenerators (PENGs) under heavy loading environments for high power generation, such as smart shoes, has been limited due to the low mechanical endurance of many piezoelectric materials. Durability and performance under harsh environments are a stumbling block for the practical application of PENGs. Synthesis of piezoelectrically enhanced nanofibers electrospun from nanocomposite of barium titanate nanoparticles (BT NPs) dispersed in poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) enables successful fabrication of a robust, efficient, flexible and lead-free PENG. A nanofiber PENG (nf-PENG) fabricated by embedding nanocomposite nanofibers in an elastomer film is demonstrated for biomechanical energy harvesting and storage during walking. When placed inside of a shoe, a nf-PENG loaded with 15 wt% BT NPs can generate an output of 25 V at a walking frequency of 0.6 Hz with high mechanical durability under very high loads (600 N). This can charge a 4.7 µF capacitor after approximately 72 steps. The stored charge can operate a strain sensor without any external power supply. The high performance of the nf-PENG is mainly attributed to the self-poled nanocomposite nanofibers. Additionally, embedding the nanofibers into an elastomer provided high durability by protecting the nanofibers from mechanical damage. Furthermore, the devices small form factor, flexibility, and transparency make this nf-PENG suitable for applications in wearable electronics, where aesthetics and comfort are also desired (in addition to performance). This work demonstrates the possibility of highly durable, efficient, and self-powered wearable sensing systems that can work under extreme environments.
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