北京大学 EES の Dong Shuxiang: 3D プリントされた多層共重合体に基づく高電圧、高電力密度のエネルギー回収装置

出典: 高分子科学の最前線

背景
PVDF ベースの圧電材料は、半結晶性の電気活性ポリマーとして、優れた柔軟性、容易な加工、良好な電気特性を備えているため、ウェアラブルデバイスの分野で広く使用されています。しかし、単層 PVDF 圧電フィルムの圧電係数はわずか 24 pC/N であり、その圧電性能は圧電セラミックスや圧電単結晶の性能にはまだ遠く及ばない。同時に、圧電係数が弱いため、その使用範囲も大きく制限されます。誘電体の圧電効率やエネルギー回収効率を向上させるためには、材料自体の性能に加えて、構造の設計も重要です。中でも、多層圧電セラミックスは優れた圧電係数と高いエネルギー回収効率を示します。しかし、この多層セラミックは非常に硬くて脆いため、柔軟なウェアラブルアプリケーションでの使用には適していません。近年、摩擦ナノ発電機も優れたエネルギー収集効果を実現していますが、この摩擦ナノ発電機の動作メカニズムは主に2つの材料間の物理的な接触を利用しており、特に滑り接触モードでは装置の耐久性が低下します。
研究結果<br /> 最近、北京大学の董樹祥教授の研究グループは、圧電ポリマーを使用したエネルギー回収の分野で重要な進歩を遂げました。この研究では、まず3Dプリンティング技術を使用して多層ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン共重合体（P（VDF-TrFE））フィルムを作製し、次にポリジメチルシロキサン（PDMS）を使用してラグビー構造のエネルギー回収装置を作製しました。 3Dプリンティング技術で製造されたP(VDF-TrFE)多層フィルムは、その後の高温アニールやその他の複雑なプロセスなしで130 pC/Nの圧電係数を得ることができ、これはP(VDF-TrFE)単層フィルム(24 pC/N)よりもはるかに高い値です。さらに、エネルギー回収結果によると、ラグビー型エネルギー回収デバイスは、P(VDF-TrFE)単層フィルムの2.2倍と10倍の88.62Vppと353μAの電圧と電流を生成することがわかりました。この研究は、「ラグビーボール構造の機械的エネルギーハーベスターにおける 3D プリント多層共重合体の大きな圧電性と高出力密度」というタイトルで、トップクラスの国際学術誌「Energy & Environmental Science」に掲載されました。北京大学の博士課程学生である袁暁婷氏が本論文の第一著者であり、北京大学の董樹祥教授が本論文の責任著者である。

この記事のハイライト
1：3Dプリント技術で製造された多層P（VDF-TrFE）フィルムは、その後の高温アニールやその他の複雑な後処理なしで130 pC/Nの圧電係数を得ることができます。これは、P（VDF-TrFE）単層フィルム（24 pC/N）よりもはるかに高い値です。
2：独自のラグビー型デザインにより、従来の摩擦式ナノジェネレータの摩擦による耐久性の悪さを効果的に克服し、デバイスの耐用年数と安全性を大幅に延長します。
3：ラグビー構造の伸縮を利用したこのエネルギー回収装置は、将来のフレキシブルウェアラブル分野で大きな可能性を秘めています。

図1 ラグビー型エネルギー回収装置のエネルギー回収効率図
研究のアイデアと具体的な研究結果の議論

図 2 (a) ラグビー型エネルギー回収デバイスの構造図、(b) P(VDF-TrFE) 分子と内部電極の相互作用の模式図 (P は分極方向を表す)、(c) デバイスの構造力学解析、(d) 3D プリントされたラグビー型多層 P(VDF-TrFE) エネルギー回収デバイス。
この 3D プリントされたフットボール型の多層 P (VDF-TrFE) エネルギー回収装置と従来の摩擦ナノジェネレータの違いは、従来の摩擦ナノジェネレータは通常、2 つの材料間の相互摩擦を利用して電荷を生成するが、この摩擦によって装置の耐久性が低下することです。本研究では、ラグビー形状の構造を巧みに利用して、球面にかかる法線応力を圧電フィルムに作用する増幅された正応力に変換し、エネルギー収集の効率的な変換を実現しました。同時に、摩擦によるデバイス寿命の短縮という欠陥も回避し、デバイスの安全性を効果的に向上させます。

図3 (a) P(VDF-TrFE)フィルムのXRDスペクトル (b) 多層P(VDF-TrFE)フィルムと対応する電極層のSEM画像 (c) 3Dプリントされた多層P(VDF-TrFE)フィルムのサンプル画像 (d) 3Dプリントされた多層P(VDF-TrFE)フィルムの圧電係数テスト 3Dプリント技術で製造された多層P(VDF-TrFE)フィルムの圧電係数は130 pC/Nと高く、単層P(VDF-TrFE)フィルムの圧電係数(24 pC/N)よりもはるかに高くなっています。これは、単層P(VDF-TrFE)フィルムの分子鎖の立体配座がオールトランス構造を示し、F原子間の極性が互いに強め合うためです。したがって、これに基づいて多層P(VDF-TrFE)フィルムを重ね合わせることで、より高い圧電係数が得られます。同時に、多層P（VDF-TrFE）フィルムは柔軟性に富み、各層の厚さは約10μmで、フィルムの各層の厚さは均一性に優れており、対応する内蔵電極もはっきりと見えます。

図4 上部に均一に圧力を加えることによって生成される開ループ電圧（a）単層P（VDF-TrFE）フィルム。 (b) 3Dプリントされた6層P(VDF-TrFE)フィルム。 (c) ラグビーボールのエネルギー収集装置に組み込まれた単層P(VDF-TrFE)フィルム。 (d) ラグビーボールのエネルギー収集装置に組み込まれた 6 層の P(VDF-TrFE) フィルム。 (e) ラグビーボールエネルギー収集装置に組み込まれたα-PVDF、単層および6層P(VDF-TrFE)フィルム、単層および6層P(VDF-TrFE)フィルムによって、異なる印加圧力下で生成された開ループ電圧。 (f) ラグビーボールエネルギー収集装置に組み込まれた6層P(VDF-TrFE)フィルムの0.046MPaおよび10Hzでのサイクル安定性。

図5 (a) 1、2、4、6層のP(VDF-TrFE)フィルムと、ラグビーボールエネルギー収集デバイスに組み込まれたP(VDF-TrFE)フィルムによって、それぞれ0.046 MPaと3.5 Hzの動圧で生成された電流と(b)電力密度。

ラグビーボール型エネルギーハーベスティングデバイスに組み込まれたP(VDF-TrFE)フィルムは、拡張モードのP(VDF-TrFE)フィルムよりも高い出力電圧と電力密度を生成します。これは、ラグビーボール型構造が、適用された垂直応力をフィルム上の増幅された正応力に巧みに変換し、圧電効果をさらに高めるためです。さらに、このラグビーボール型構造は、2つの材料間の摩擦を回避し、エネルギー損失とエネルギー収集効率を低減し、サイクル安定性に優れています。

研究概要<br /> この研究では、3D 印刷技術を使用して、高い圧電係数 (d33 ~ 130 pC/N) を持つ多層 P (VDF-TrFE) フィルムを製造しました。多層 P(VDF-TrFE) フィルムをラグビー型のエネルギー収集デバイスに組み込むことで、オープンループ電圧 88.62 Vpp、電力密度 16.41 mW/cm2 を実現しました。ラグビー型のエネルギー収集装置は、フィルムにかかる通常の応力を増幅された正の応力に巧みに変換し、エネルギー収集の密度と効率を大幅に向上させます。さらに、この構造により、2 つの材料間の摩擦によって生じる耐久性の低下を回避できます。

全文リンク:
https://pubs.rsc.org/en/content/ ... 01785b#!div概要

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