能量收集

植入的医疗器械，如心脏起搏器和除颤器，依靠电池进行手术。然而，传统的电池使用时间仅为几年，需要额外的手术进行更换。直接从人体中获取能量，可以在不受电池有限寿命限制的情况下，为植入式医疗器械提供一种新的自我可持续电源范式。这里，我们报道了一种采用聚二甲基硅氧烷( PDMS )填充微孔P ( VDF- TrFE )复合膜的多束心脏能量收集器的设计。我们首先在微孔P ( VDF-TrFE )薄膜中添加ZnO纳米颗粒和多壁碳纳米管来提高能量输出。30 % ZnO和0.1 % MWCNTs的混合比得到3.22 ± 0.24 V的电压输出，电压输出是纯P ( VDF- TrFE )薄膜的46倍。接下来，我们发现含有PDMS的复合膜产生的电压比没有PDMS的复合膜高约105 %。为了在心脏起搏器中的应用，我们发展了一种简单的制造方法，通过构建一个圆柱形多束装置，驻留在起搏器上，通过心跳驱动的铅的复杂运动来获取能量。由于能量收集组件被集成到起搏器中，它大大减少了与起搏器相关手术相关的风险和费用。这项工作为新一代能量收集器的发展铺平了道路，将使患者受益于各种植入式生物医疗设备。

摘要电磁能量采集器( TEH )是近来被论证用于收获机械能的新兴技术。TEH由于其在性质上的灵活性，可以在不同的构型下制备，因而具有广泛的应用前景。本文提出了垂直接触模式摩擦式能量收集器的简化模型。商业化的聚二甲基硅氧烷( PDMS )和铜薄膜已被考虑用于摩擦电荷的产生。在周期谐波运动下，考察各种设计参数和负载电阻对收获功率的影响。数值结果预测，收获功率取决于摩擦电材料的表面积、相对介电常数、表面电荷密度和介质厚度、接触频率、电极间距和负载电阻。最后，利用遗传算法对设计参数进行优化研究，为TEH的合理开发提供充分的指导。模拟结果表明，摩擦电收割机可以产生大量的能量，这些能量可以操作诸如手机、机器人、导航系统、运动和生物传感器等小型电子设备。

柔性压电纳米发电机( PENG )被认为是一种很有前景的机械能采集解决方案，作为可穿戴设备的可持续能源，等等。这里提出了一种通用的碳包复调制策略来合成碳包复的0 - D压电陶瓷纳米颗粒( NPs )，由于碳壳具有良好的导电性，碳层中移动电荷的重新分配和积累导致电场的增强，导致压电效应增强很多。用聚二甲基硅氧烷( PDMS )与这些0 - D压电陶瓷NPs复合制备PENGs。BT @ C、PZT @ C和KNN @ C基PENGs的峰值功率密度分别达到45.4  μW / cm2、59.8  μW / cm2和9.9  μW / cm2，分别是裸0 - D压电陶瓷NPs掺入的对照PENGs的20、20.4和13.4倍。建立了基于刘易斯扩散理论的理论模型，揭示了极化过程中压电增强的机理。本研究为包埋碳包复0 - D压电陶瓷NPs制备高压电特性复合材料提供了新的策略。

调节型摩擦电化因其在收获能量方面的潜在应用以及在抗静电保护方面的重要性而引起了相当大的研究关注。辐照由于辐照参数可调、均匀，是一种有效、稳定的改性方法。此外，原子氧( AO )辐照是低地球轨道的重要组成部分，是促进外层空间摩擦电纳米发电机( TENGs )发展的重要因素。AO辐照用于操纵表面结构和化学成分，调节电性能。AO辐照可以增加聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜的给电子基团，提高其电正性，这是由于Si-C键向Si-O键转变所致。因此，聚四氟乙烯( PTFE )和聚苯乙烯( PS )的不同趋势是由它们与辐照PDMS的TENG组成所致。通过调节辐照时间至4.1 h，PS和PDMS基TENGs的跨极性和电荷产生被完全抑制。PTFE-和PDMS基TENGs中PDMS薄膜经AO辐照6 h后，短路电流从5μA增强到22μA，输出电压从160 ~ 760 V。本研究表明，AO辐照可以操纵硅基材料的摩擦电特性，这些特性是捕获能量和防止外层空间静电危害的潜在组分。

越来越多的可穿戴设备的使用刺激了作为更便携和实用能源替代品的能源收集器的研发工作。压电纳米发电机( PENGs )和摩擦电纳米发电机( TENGs )领域，特别是采用氧化锌( ZnO )纳米线( NWs )，近年来得到了极大的繁荣。尽管ZnO具有较低的压电系数，但由于其可持续的原材料和易于获得不同形貌，从而提高了其多功能性，因而受到了广泛的关注。将ZnO纳米结构集成到聚合物基体中以克服其脆性已被证明是卓有成效的，但其在复合材料中的浓度应予以优化，以最大限度地提高收集器的产量，这是一个尚未得到妥善解决的问题。本工作研究了微波辐射辅助水热合成法生长的ZnO纳米棒( NRs )和聚二甲基硅氧烷( PDMS )的不同浓度复合材料，在复合材料中加入25wt % ZnO NRs，通过激光雕刻进一步微结构以增强输出，在2.3 N的推进力下制备了输出为6 V的纳米发电机( NG )。

摩擦电纳米发电机/超级电容器( TENG- SC )被认为在可穿戴/便携式生物运动能量采集/存储电子方面具有巨大的潜力，但许多TENG因其耐磨性差、构型复杂等特点，几乎无法满足可穿戴电子的需求。设计了一种环剥-编织方法，直接编织聚二甲基硅氧烷/ MnO2纳米线( PDMS / MnO2 NW )包复导电碳布纱线( CCT @ PDMS / MnO2 NW )的柔性PTFE纱线，该纱线可作为可穿戴的TENG纺织品，用于获取生物运动能量。通过改变MnO2 NW的质量负载，调节PDMS / MnO2 NW弹性体的介电常数，获得了优越的发电性能。获得的TENG纺织品可将各种形式的生物运动能量转换为电信号，可获得最大输出电压约380   V，并可轻松点亮200个串接LED。此外，采用TENG编织全固态纱线型非对称超级电容器作为储能单元，具有较高的体积能量密度和优异的循环稳定性。由于整个系统具有柔性的全纱线式结构，SC和TENG可以很容易地织成布料，实现生物运动能量的连续采集和存储，在可穿戴、轻量化、舒适的连续生物运动能量采集/存储装置和多功能压力传感等方面显示出极大的方便和巨大的应用前景。

摩擦电发生器( TEG )是摩擦电化学和静电感应相结合的简单耦合器，可将机械能转化为电能，具有自供电装置应用的潜力。在本研究中，TEGs由导电纺织( CT )层(由涤纶和不锈钢编织的织物)和聚二甲基硅氧烷( PDMS )层组成。CT摩擦层也被用作导电电极，设计了各种表面形貌，包括未图形化、点状和间距为1和2厘米的线状。实验结果表明，未图形化CT层的TEG输出电压为54.6 V，输出电流为5.46 µ A。图形化表面增加了CT与PDMS层之间的有效接触面积和摩擦效应，使输出电压和电流分别提高到94.4 V和9.44 µ A。与未图形化CT层相比，采用1 cm间距线、2 cm间距线和点的图形化分别提高了1.73、1.68和1.24倍。而且，1 cm间距的TEG产生了181.9 mW / m2的高输出功率密度。

压电纳米发电机( NGs )由氧化锌纳米棒( ZNRs )组成，聚二甲基硅氧烷( PDMS )层在铟锡氧化物( ITO )涂层基底上制备，用于能量收集系统。通过优化的水溶液法形成种子层，极大地帮助NGs生长取向良好的ZNRs。加入聚乙烯亚胺( PEI )可提高ZNRs的长径比，达到24∶1，表现出NGs最佳的能量收集性能。ZNRs上PDMS层的形成增加了顶层Ag电极的功函数差。PDMS层的厚度优化为80μm，表现出最大的功函数差异，导致电荷密度的增强。由最高长径比为24：1的ZNRs和80μm厚的PDMS层构成的压电NGs获得了最高的电流密度2270.1nA / cm2，足以驱动低功耗电子。