清华李舟教授等人最新综述！压电纳米发电机赋能柔性电子

一、研究背景

随着物联网、可穿戴技术、生物医学工程的快速发展，柔性电子设备对自供电解决方案的需求日益迫切。传统电池供电模式存在容量有限、寿命较短、环境污染等固有缺陷，难以满足柔性电子长期稳定运行的需求。压电纳米发电机（Piezoelectric Nanogenerators, PENG）作为一种新型能量收集技术，能够通过正压电效应将环境中的机械能（如振动、压力、人体运动等）直接转化为电能，同时兼具柔性、低功耗、环境适应性强等优势，为解决柔性电子供电瓶颈提供了理想路径。自2006年首次报道以来，PENG在材料优化、结构设计、功能集成等方面取得显著进展，逐步从单一能量收集器件向“能量收集-传感-储能”一体化系统演进，在健康监测、环境检测、智能交互等领域展现出巨大应用潜力。

二、综述要点

本综述系统梳理了PENG的理论基础、技术突破与应用拓展，核心要点包括：

1. PENG的工作机制与关键材料体系优化（聚合物、无机材料、复合材料的性能对比与选型逻辑）；

2. 柔性传感器领域的多元化应用（压力传感、生物医学诊断、环境气体检测的技术路径与性能突破）；

3. 先进能量收集系统的构建（结构创新、多机制混合集成、储能单元耦合策略）；

4. 智能系统集成技术（AI信号处理、多模态传感融合、系统级能量管理）。

三、综述内容

（一）PENG的工作机制与材料体系

PENG的核心工作原理基于正压电效应：非中心对称晶体材料在机械应力作用下发生电荷中心分离，形成压电电势，进而实现机械能向电能的转化。其性能主要取决于压电材料的压电系数（d??）、机电耦合系数（k）及介电常数（ε?）等关键参数。

- 材料分类与特性：无机材料（ZnO、BaTiO?、PZT）压电性能优异，但柔性较差；聚合物材料（PVDF及其共聚物）柔性良好、加工性强，但压电系数较低；复合材料（如PVDF/ZnO、PZT/PDMS）通过有机-无机协同作用，兼顾柔性与高压电性能，成为主流研究方向。

- 关键技术参数：综述通过对比10余种典型压电材料的性能参数，明确了d??/ε?33?作为能量收集优值系数的核心评估标准，为材料选型提供了量化依据。

（二）柔性传感器的多元化应用

1. 压力与生物力学监测：通过微结构设计（微金字塔、圆柱形、3D多孔结构）与多机制耦合（压电-摩擦、压电-电容），PENG基传感器灵敏度可达37347.98 kPa?1，检测限低至0.05 Pa，响应时间最短仅4.38 ms，成功应用于人体关节运动监测、足底压力分析、生理信号捕捉（吞咽、脉搏、 vocal振动）等场景。

2. 生物医学诊断：开发皮肤界面生物传感平台、代谢物检测器件，实现尿素、肌酐、葡萄糖、胆红素等生物标志物的自供电检测，同时在骨密度评估、肾损伤诊断、新生儿黄疸筛查等领域形成实用化技术方案，器件体积最小可达10 mm2，兼具生物相容性与稳定性。

3. 环境气体检测：基于ZnO基纳米结构及金属掺杂（Cu、Ag、NiO）、异质结工程（SnO?/ZnO、NiO/ZnO）策略，构建自供电气体传感器，实现H?S、乙醇、NH?、LPG等气体的高灵敏度检测，检测范围覆盖10 ppm-8000 ppm，响应/恢复时间最短至16 s/18 s，解决了传统气体传感器依赖外部电源的问题。

（三）先进能量收集系统构建

1. 结构创新：通过柔性基板封装（Kapton、PDMS）、微纳结构设计（纳米线阵列、多孔膜、梯度形貌）、3D打印与电纺技术应用，提升PENG在低频率、复杂形变场景下的能量转换效率，峰值功率密度可达63.5 mW·cm?3，循环稳定性超过60000次。

2. 多机制混合集成：融合PENG与摩擦纳米发电机（TENG）、电磁发电机（EMG）的优势，构建混合能量收集系统，拓宽能量捕获带宽，输出电压最高可达103 V，成功实现人体运动、风能、波浪能等多源能量的协同收集。

3. 储能单元耦合：开发自充电电池（SCPC）与自充电超级电容器（SCSPC），通过压电材料与储能器件的一体化设计（如PVDF作为电池隔膜、压电电解质集成），实现“能量收集-存储”无缝衔接，自充电电压可达3.21 V，循环稳定性保持71.8%（30000次循环）。

（四）智能系统集成技术

1. AI增强信号处理：针对PENG输出信号信噪比低、特征模糊的问题，引入CNN、LSTM、SVM等轻量化AI模型，实现手势识别（准确率94.16%）、步态分类（准确率81.8%）、肌肉疲劳诊断（准确率94.4%）等智能分析功能，突破传统信号处理局限。

2. 多模态传感平台：集成压电、热释电、光电等多种传感机制，构建压力-温度、力学-生物标志物等双模态/多模态传感器，通过数据融合提升检测全面性，分类准确率最高达99.16%。

3. 系统级能量管理：设计高效功率管理电路（PMC），解决PENG与储能单元的阻抗匹配问题，能量转换效率最高可达83.6%，实现低功耗电子设备的长期自主运行。

四、总结与展望

本综述全面回顾了PENG技术从基础研究到应用落地的发展历程，明确了其核心优势：通过材料体系优化与结构创新，实现了机械能-电能的高效转化；通过与传感、储能、AI技术的深度融合，构建了“能量收集-感知-存储-智能决策”一体化系统；在柔性电子领域形成了从材料选型、器件设计到系统集成的完整技术链条，成功应用于生物医学、环境监测、智能穿戴等多个关键领域。

同时，当前PENG技术仍面临四大核心挑战：一是输出功率与能量密度偏低，难以满足复杂电子系统需求；二是长期稳定性不足，在循环载荷、温湿度变化等环境下易出现性能衰减；三是规模化生产过程中器件一致性差、成本较高；四是系统级集成存在阻抗匹配、能量调度等技术瓶颈。

文献链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202519604

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视频号：##柔性电子那些事