《Current Opinion in Solid State and Materials Science》：Self-poled and poling-free efficient piezoelectric nanogenerators for power generation and self-powered applications
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压电纳米发电机（PENGs）通过将机械能转化为电能，为自供能电子设备提供新方案。传统PENGs依赖外部极化工艺，存在高电压、高能耗及材料退化等问题。本文系统综述了自极化与无极化PENGs的机理差异，重点分析其通过材料创新（如聚合物、陶瓷、复合材料）和器件工程策略（如界面效应、晶格应变）实现无需外部极化的技术路径，涵盖性能提升、稳定性优化及柔性应用场景，同时指出规模化制造、长期耐久性及系统集成等挑战。
Naveen Kumar|Kushal Ruthvik Kaja|Swati Panda|Sugato Hajra|Mohamed A. Belal|Premkumar Sharad Bhosale|Uday Kumar Khanapuram|Rakesh Kumar Rajaboina|Hohyun Keum|Kyoungtae Lee|Hoe Joon Kim
印度贡图尔（Guntur）Koneru Lakshmaiah教育基金会物理系，邮编522502
摘要
压电纳米发电机（PENGs）作为一种有前景的能量收集器，能够将废弃的机械能转化为可用的电能，用于自供电的电子应用。传统上，PENGs需要外部极化处理来对齐铁电偶极子以实现高效运行。然而，对高电压极化的依赖、耗时的加工过程以及潜在的材料退化限制了传统PENGs的可扩展性和实用性。因此，最近的研究重点在于开发无需外部处理的自极化PENGs，这些PENGs具有内在极化、更高的稳定性和更简单的制造工艺。本文总结了PENGs的基本工作原理以及极化对其性能的影响，并深入讨论了自极化与无极化机制之间的区别。此外，还展示了在聚合物、陶瓷和复合材料等材料方面的最新进展，以及无需外部极化即可实现高效能量转换的器件工程技术。最后，本文指出了材料耐久性、大规模制造以及与复杂系统集成等方面存在的挑战，并提出了下一代自供电技术的研究方向。通过整合现有进展并强调关键障碍，本文旨在为高效、可扩展且环境可持续的无极化PENGs的未来发展提供有价值的见解。据我们所知，这是第一篇全面探讨自极化和无极化PENGs的综述，重点关注其内在机制、材料制造方法及新兴应用。
引言
压电纳米发电机（PENGs）利用压电材料将环境中的机械能高效转化为可用电能[1]、[2]、[3]。PENGs的工作原理基于压电效应，即机械应力会在非中心对称材料中诱导极化，从而产生电势[4]、[5]、[6]。自2006年首次实现以来，PENGs在为可穿戴传感器、植入式医疗设备、机器人技术、结构健康监测和物联网（IoTs）等领域的自供电微纳电子设备提供动力方面受到了广泛关注[7]、[8]、[9]、[10]。压电材料（包括无机陶瓷、聚合物和仿生材料）的多功能性使得可以制造出各种结构的纳米发电机，如薄膜、纳米线和复合系统[11]、[12]、[13]、[14]。与其他纳米发电机技术（如摩擦电和热电设备）相比，PENGs因对小尺度机械变形的高灵敏度、快速响应和潜在的生物相容性而脱颖而出[15]、[16]、[17]。然而，在实现长期稳定性、可扩展性和足够的功率密度方面仍存在挑战[18]、[19]。材料工程、器件设计以及与先进技术的集成方面的持续创新对于开发高效、灵活且可扩展的PENGs至关重要[20]、[21]。在这些创新中，极化方法在增强材料的压电性能和提高能量转换效率方面起着关键作用。
结晶度和压电性的概念相对简单。图1展示了一个非中心对称分子，其中负电荷和正电荷的中心重合，形成中性分子[22]、[23]。当受到压缩时，负电荷和正电荷的中心分离，形成偶极子[24]，从而使压电材料能够产生电场。
极化是使压电材料（特别是聚偏二氟乙烯（PVDF）等聚合物）中随机取向的偶极子对齐以诱导或增强压电性的必要过程[25]。传统的极化技术包括电极化（在高温下施加强电场）、机械拉伸和电晕极化[26]、[27]、[28]。这些方法可以显著提高压电系数并提升PENGs的整体性能，使其更适用于能量收集[29]、[30]。然而，极化过程通常能耗较高，需要高电压和受控的温度条件，这增加了制造成本和复杂性。
此外，对齐后的偶极子取向并不总是稳定的[31]、[32]，在长时间使用、机械应力或环境暴露下会导致性能下降[33]、[34]。此外，极化程序往往限制了大规模、柔性器件的制造，并且不总是与可生物降解或生物相容的压电材料兼容，从而限制了它们在可持续和植入式设备中的应用[35]。尽管传统极化技术具有性能优势，但其缺点凸显了迫切需要自极化或无极化策略，以简化制造过程、降低能耗并提高PENGs的长期可靠性。
自极化或无极化PENGs的发展代表了推进下一代压电能量收集技术的变革性步骤[36]、[37]。与传统需要外部极化的系统不同，这些设备由于材料本身的性质、结构设计或界面工程而无需额外处理即可表现出强烈的压电响应[38]、[39]。例如，通过引入铁电纳米颗粒、二维材料或仿生层次结构可以在合成过程中诱导永久性的偶极子对齐，从而无需后续处理[40]，这不仅降低了制造成本和能耗，还提高了可扩展性和与柔性基底、可穿戴电子设备和植入式生物医学设备的兼容性[41]。更重要的是，无极化PENGs表现出更好的长期稳定性，因为自发的偶极子对齐在反复的机械循环或环境应力下更不易退极化，使其非常适合需要耐用性和可靠性的实际应用，如连续健康监测、无线通信节点和自供电环境传感器。此外，采用无极化策略可以使用可生物降解的绿色材料，符合对可持续、环保能源解决方案日益增长的需求[42]、[43]。通过克服传统极化的局限性，自极化/无极化PENGs为开发可扩展、稳健且环保的纳米发电机开辟了新途径，成为未来研究和商业化的关键焦点。
在本综述中，我们首先介绍了PENG的基本工作原理，并讨论了偶极子对齐和极化如何关键地控制其能量转换效率。然后，我们明确了自极化与无极化PENGs之间的概念差异，界定了这两类技术的本质区别。在此基础上，本文分为两个主要部分，总结了自极化和无极化PENGs的最新进展，重点介绍了内在偶极子对齐、界面效应和材料工程策略如何消除对外部极化处理的需求。这些部分强调了实现高性能、高能效能量收集技术的关键材料、器件架构和制造方法及其应用。通过讨论一系列最新研究，我们展示了自极化和无极化PENGs如何通过简化制造工艺、提高稳定性和增强可扩展性来重塑自供电电子领域。最后，我们讨论了面临的挑战和未来前景，并提出了推动PENG研究向实际应用迈进的关键见解和观点。
压电纳米发电机的工作原理
压电纳米发电机（PENGs）的工作原理基于压电效应，即对非中心对称材料施加机械应力会诱导极化并产生电势[44]、[45]。当压电材料发生机械变形时，晶格中的离子位移或偶极子重新排列会导致材料内部产生电荷分离[46]、[47]。这会导致内部电场和表面电荷的形成
极化及各种极化技术的影响
极化在决定PENGs的效率和功能性能方面起着关键作用[51]。压电材料中的宏观响应源于非中心对称晶体结构或分子链中电偶极子的对齐。极化程度直接影响压电系数（d33、d31），从而影响机械应力产生的电压、电流和功率输出[52]、[53]。例如，未极化的聚合物自极化与无极化PENGs
自极化和无极化压电材料的概念代表了不同的机制和根本不同的材料行为，明确区分这两类材料对于科学解释至关重要。在传统压电材料中，必须通过高电压极化过程来对偶极子进行对齐才能产生可用的压电响应[8]、[67]、[68]、[69]、[70]。自极化材料消除了这一外部极化步骤，但它们是通过内部的间接方式实现的自极化与无极化PENGs的电输出及应用
自极化与无极化PENGs无需外部高电压极化过程，使得制造更安全、更简单且更节能[91]。在自极化PENGs中，偶极子在合成或薄膜形成过程中自发对齐，通常由结晶度控制、机械拉伸或静电纺丝诱导。无极化PENGs则依靠内在的分子排列或界面相互作用（如氢键或填料诱导的对齐）来表现出挑战与未来展望
自极化与无极化PENGs代表了一类革命性的能量收集设备，因为它们消除了对传统电极化的需求，而传统电极化通常需要高电压、高温或复杂的处理步骤[126]、[127]。通过利用内在的偶极子对齐、界面电荷效应、应变梯度或材料不对称性，这些系统显著提高了制造安全性、能量效率和与柔性及可穿戴设备的兼容性结论
压电纳米发电机（PENGs）作为一种有前景的技术，能够收集环境中的机械能为下一代自供电电子系统提供动力。虽然传统PENGs已经展现出巨大的潜力，但它们对外部极化的依赖性在可扩展性、器件可靠性以及与植入式生物医学设备等敏感应用的集成方面带来了挑战。自极化与无极化PENGs的发展解决了这些限制
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究还得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2024–00346135；RS-2024-00406674；RS-2024-00347277；RS-2025-25396400）以及教育部（RS-2025-25420118）的支持。SP和SH还得到了韩国科学技术信息通信部（Ministry of Science and ICT）InnoCORE计划（25-InnoCORE-01）的支持。
