利用三维嵌入式电极提升压电陶瓷能量收集器输出电流密度

压电陶瓷能量收集器（Piezoceramic Energy Harvester， PEH）可捕获环境中废弃的振动能，实现清洁发电，引起学术界与工业界的广泛关注。尽管在各国研究人员的努力下已取得了很大的进展，但弱输出电流密度仍然是限制其实际应用的主要障碍。

近期，北京工业大学侯育冬教授团队利用三维嵌入式电极结构设计策略成功制备出具有高输出电流密度的Pb（Zn1/3Nb2/3）0.2（Zr1/2Ti1/2）0.8O3（PZNZT）基多层压电陶瓷能量收集器（ML-PEH）。通过在多层压电陶瓷内部构造类多层陶瓷电容器的三维互联电极界面，结合层数优化设计解决异质电极界面的力衰减效应与极化电荷倍增效应的博弈问题，成功获得极化电荷总量大幅提升的多层压电陶瓷，用其组装的ML-PEH同时表现出高压电电荷常数和高输出电流密度。在RT ~ 150℃内，多层压电陶瓷显示出高且稳定的压电电荷常数（d33=1299±15% pC/N），可与弛豫基PbTiO3单晶相媲美。

由多层压电陶瓷组装的悬臂梁型ML-PEH不仅输出电流密度高达254 μA/cm2，优于目前已报道的各类悬臂梁型PEH，而且呈现优异的快充能力、耐高温和抗疲劳特性，所转化的电能可高效驱动商业无线温湿度传感器，并将环境数据通过蓝牙模块传输到手机移动终端。以上工作显示出ML-PEH在实现物联网组网用无线传感器节点自供电方面的巨大应用潜力，为开发高输出电流密度的先进压电能量收集器提供重要参考，并将有助于基于工业流延共烧技术实现多层压电能量收集器的实用化。

该研究以“Boosting output current density ofpiezoceramic energy harvesters using three-dimensional embedded electrodes”为题发表于Nano Energy。论文第一作者为北京工业大学在读博士研究生于肖乐，材料与制造学部侯育冬教授为通讯作者。

上述工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和北京市百千万人才计划等项目的资助。

图1基于三维嵌入式电极结构设计获得的具有高居里温度、高压电电荷常数和高输出电流密度的多层压电能量收集器（ML-PEH）

图2多层压电能量收集器（ML-PEH）显示出优异的耐高温与抗疲劳性及快充和驱动商业无线传感器能力

审核编辑 ：李倩