在《奈米能源(Nano Energy)》一篇題為「柔性和生物相容性聚丙烯鐵電駐極體奈米發電機(FENG):走在由人體運動供電的可穿戴設備的道路上(Flexible and biocompatible polypropylene ferroelectret nanogenerator(FENG):On the path toward wearable devices powered by human motion)」的論文中,來自密西根州立大學(Michigan State University)的研究人員分享一種創新的基於聚合物的鐵電駐極體,它完全去掉磁體和鐵電材料。

研究人員透過生成一種便宜的聚丙烯泡沫製造出一種薄型聚丙烯鐵電極(PPFE),其透過微等離子體放電(利用對PP膜施加大電場)對聚丙烯泡沫的空隙充電。泡沫中的人造空隙從1μm~100μm,然後在80μm厚的膜上形成具有高度取向性的巨偶極子。濺射在PPFE膜表面上的兩個導電銀層組成元件,使其變成夾層狀「金屬、絕緣體、金屬(metal-insulator-metal,MIM)」結構。

有限元法(FEM)分析支持其實際實驗的進行,研究人員解釋說,隨著帶電空隙改變其厚度,從而改變它們在機械應力(例如壓縮)下的偶極矩,偶極矩的變化又能夠驅動電子從帶負電荷的電極移動到帶正電荷的電極,從而在開路條件下產生電壓或在短路條件下產生電流(從一個電極到另一個電極的電荷流動)。研究人員還強調PPFE膜的壓電係數(d33~400pC/N)明顯大於典型的壓電聚合物,如PVDF(d33~15pC/N)或聚對二甲苯C(d33~2pC/N)。

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圖1 分解視圖說明封裝的FENG由堆疊的「金屬、PPFE、金屬」結構組成、沒有移動元件或微製造特性。



這種看起來可非常容易製造的聚丙烯鐵電駐極體的有趣特性是,它不僅堅固且可易於擴展面積。另外,若欲堆疊幾個PPFE以增加電壓或電流輸出就像折疊單個單元本身一樣簡單。實際上,對稱折疊過程在電氣連接中使表面保持相同極性,類似於並聯單層PPFE的電氣連接。

研究人員的實驗有效表明,開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)隨著沿對稱軸的每次折疊而加倍(相當於使展開狀態的壓電係數d33加倍)。

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圖2 輸出電壓和電流信號隨每次沿對稱軸的折疊動作而放大。性能表現遵循2n特性,其中n是折疊次數。



應用觸摸壓力、非折疊的35mm×25mm PPFE膜在開路時將輸出約1V電壓,或在短路時產生約0.1μA的電流。當釋放壓力時,產生相反的電荷變化和訊號,該材料表現出非常對稱的特性。

電荷可以累積到附近的用於儲能的電容器(透過肖特基橋式整流電路連接PPFE)或用於為小型電子設備供電。

為了證明新型PPFE膜的能量採集功能,研究人員研發一個2cm×2cm的FENG,由7個PPFE膜層堆疊組成。手每按下一次,該400mm2元件可足夠點亮約3V工作電壓的20個串聯商用LED(在該配置中,Voc和Isc分別高於50V和5μA)。

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圖3 堆疊的FENG、約400mm2,其公共電觸點在交替的金屬層上製成。



在另一個例子中,研究人員研發一個可折疊的基於PPFE的自供電鍵盤(按鍵上有貼紙)。這裡,PPFE的頂部和底部表面均勻地塗覆有導電塗料(透過簡單的棒塗法),鍵擊足以為相應字元的單個訊號軌跡供電以發送到附近設備,這使得可捲曲和可折疊鍵盤成為當今電池供電剛性設計的有趣替代物。

密西根州立大學機械工程副教授和研究報告共同作者Nelson Sepulveda設想,新的FENG可用於許多能量採集應用,將人體運動轉換為電能,以為可穿戴設備甚或可植入電子設備供電(這種設備可塗覆與生物相容的聚醯亞胺)。

本文另一個嘗試性應用是使用PPFE膜來實現自供電觸控式螢幕,其中觸摸功能將由實際觸摸動作本身供電。

研究人員整合FENG與4個LCD,輕輕敲擊足以驅動LCD顯示字元,無需任何整流器或充電電路。研究人員在論文中寫道,「這種整合可透過從用戶的常規觸摸中汲取能量,來提高智慧型手機和可穿戴設備的能量效率,從而減少需外部能源對電池充電的頻率。」