综述：用于柔性电子设备的混合压电-摩擦电纳米发电机：工作原理、应用前景及未来发展

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Hybrid piezoelectric-triboelectric nanogenerators for flexible electronics: mechanisms, applications, and future prospects

可持续便携式能源需求推动混合压电-摩擦电纳米发电机（HPTENGs）发展，本文系统综述其工作原理、电荷转移机制及优化策略，分析材料特性、界面工程与结构设计对性能的影响，探讨其在可穿戴电子、自供电传感器及环境监测等领域的应用前景，指出长期稳定性与规模化生产的关键挑战。

　　

普拉巴卡·亚达夫（Prabhakar Yadav）| 阿尔皮特·维尔马（Arpit Verma）| S.K. 贾（S.K. Jha）

仪器与控制工程，印度德里的纳塔吉·苏巴什技术大学（Netaji Subhash University of Technology）

摘要

对可持续和便携式电源需求的不断增长促使人们开发了混合式压电-摩擦电纳米发电机（HPTENGs）用于能量收集。HPTENGs是一种基于混合技术的装置，它有效地利用了压电纳米发电机（PENGs）和摩擦电纳米发电机（TENGs）的原理和优势来转化机械能。本文旨在概述HPTENGs的工作原理，重点介绍电荷转移的基本原理，并描述压电效应和摩擦电效应在HPTENGs中的联合效应。同时，还讨论了影响HPTENGs能量收集性能的各种因素，包括材料特性、表面图案、设计、界面以及环境因素。此外，还介绍了HPTENGs在能量收集、柔性可穿戴电子设备、自供电传感和环境监测等领域的应用。最后总结了HPTENGs面临的主要挑战及其对下一代柔性可持续设备的潜在贡献。

引言

柔性电子设备、可穿戴设备和物联网（IoT）设备的快速发展开启了一个智能化和网络化的新时代[1,2]。这些设备需要稳定且连续的电源，同时具备轻量化的特点，并能在动态和异构环境中正常工作[3]。现有的技术如锂离子电池存在固有的性能限制，有效容量低，且需要定期充电[4]。这种电源与能量需求之间的不匹配仍然是大规模应用下一代柔性电子设备的主要瓶颈[5]。

研究人员和工业界正加速开发能够直接从周围环境中（如流体流动、风能、振动和人体运动）捕获能量的自主能量收集装置[6,7]。其中，压电纳米发电机（PENGs）和摩擦电纳米发电机（TENGs）因能够将低频机械能高效转化为电能而受到广泛关注[8,9]。然而，这两种技术也有各自的缺点：PENGs在低机械激励下的输出较低，需要较高的处理温度或特定的晶体取向[10,11]；而TENGs虽然电压较高，但容易受湿度影响且表面磨损，电流密度较低[12]。

为克服这些限制，提出了HPTENGs这一解决方案，它将PENG和TENG的机制集成在一个架构中[9,13]。预计这种混合装置能够协同发挥两种机制的优势，从而提高能量产出、扩展工作频率范围，并提升材料兼容性和环境耐受性[14,15]。因此，HPTENGs为实现健康监测、环境监测、智能纺织品和植入式设备等广泛应用的可持续、便携式自给能源系统迈出了重要一步[16]。尽管HPTENGs具有巨大潜力，但该领域仍处于发展阶段，仍面临诸多挑战[17]。首先，设备在长期循环机械载荷和环境条件下的稳定性和一致性仍存在问题[18]，主要原因包括摩擦电表面的磨损、混合层的剥离以及压电材料的疲劳，这些都会导致效率逐渐下降[19]。由于压电材料和摩擦电材料之间的电荷生成机制不同，优化两者之间的界面也存在困难，从而影响电荷传输效率[20,21]。设备结构、材料组合和加工技术的差异导致性能结果不对称，难以标准化[22]。此外，可扩展性也是一个重要问题，大多数高性能HPTENGs是在实验室环境下使用复杂工艺制造的，不适合大规模生产或成本效益高的制造方式[23]。

开发HPTENGs的动机源于压电效应和摩擦电效应的物理原理[24]。当材料受到机械应力时会产生电荷[25]，尤其是在ZnO和聚偏二氟乙烯（PVDF）等晶体材料中这种效应更为显著。摩擦电效应则是基于两种不同材料之间的接触带电现象，电子根据电子亲和力在表面之间转移，从而产生电荷积累和电位差。通过巧妙设计混合结构，使两种机制并行或串联工作，科学家可以最大化每单位机械输入的能量产出。

实现这种耦合效应有多种方式。在一些设计中，压电层和摩擦电层是分开的，各自独立贡献输出[26,27]。在分层配置中，压缩载荷会同时变形压电层并在摩擦电界面引发接触分离，从而产生两种材料的联合输出[28]。在这种情况下，界面工程非常重要，因为电荷传输的激活机制和设备效率受到电极材料选择、表面形貌和介电特性的显著影响。除了性能提升外，柔韧性和便携性也是HPTENGs适合下一代电子设备的关键特性[29]。大多数HPTENGs采用薄膜、纳米纤维或软弹性体制造，以实现与皮肤、衣物或不平表面的贴合。部分HPTENGs还具有生物降解性或生物相容性，因此适用于临时医疗植入物或低环境影响的传感器。

从可持续性的角度来看，HPTENGs非常符合减少电子垃圾和向绿色能源技术转型的全球倡议[24]。由于这些设备不依赖外部电源，有助于减少一次性电子产品的使用[30]。在农村地区，它们为LED照明、温度传感器和应急通信系统等低能耗应用提供了可行的解决方案。它们从行走、敲击、折叠或气流中提取能量的简单操作方式使其在资源有限的条件下具有广泛应用潜力。

HPTENGs代表了柔性电子设备能量收集领域的一项创新且快速发展的技术[31]。通过结合压电效应和摩擦电效应的优势，HPTENGs提高了效率、增强了多功能性，并为自给自足的可持续电子设备铺平了道路。然而，要充分发挥其潜力，还需要在韧性、集成性、可扩展性和环境适应性等方面开展相关工作[32]。本文系统讨论了PENGs和TENGs的工作原理、电荷生成和传输的理论基础，以及混合架构中的耦合机制，并探讨了材料工程、表面和界面设计、结构优化和机械刺激管理的关键策略，以最大化输出性能和可靠性。在可穿戴电子设备、生物医学设备、环境监测和分布式能量收集等领域的广泛应用证明了HPTENGs的技术价值[32,33]。它将电荷生成和传输的理论基础与实际设计相结合，提供了将物理原理与设备性能联系起来的平衡视角。文章分类评估了多种性能提升因素，包括材料选择、界面工程和环境影响。此外，本文还考虑了HPTENG机制的独特限制，如PENG和TENG组件的协同耦合放大了电荷生成效果。例如，长期稳定性不仅受环境因素影响，还受压电极化域和摩擦电层之间界面电荷重组的影响。界面优化需要精确控制PENG-TENG边界处的偶极排列和接触带电，以减少电荷捕获。可扩展性取决于大面积架构中的均匀耦合效果，同时保持应变诱导极化和摩擦表面相互作用的微妙平衡。这项工作强调了朝着高性能HPTENG系统发展的必要性。

部分内容摘录

PENG的设计和工作原理

自2006年Z. L. Wang和J. Song首次提出PENG以来，研究人员研究了多种不同拓扑结构的机械能量收集器[34]。近年来，由于对柔性电子设备的关注，可拉伸压电材料变得尤为重要[35]。传统的压电发电机主要使用刚性压电陶瓷作为电荷生成材料，这一趋势已被取代。

PENG和TENG系统中电荷生成和传输的理论基础

PENG利用某些介电材料的直接压电效应，在机械应力作用下产生电荷[32]。由于非中心对称晶体结构，压电材料中的电荷中心会发生位移，导致材料两端出现极化和电压。描述压电效应的张量形式公式如下：$D_i=d_{ij}{T}_j+{{\epsilon }_{ij}E}_{}$