在Bi3+掺杂的BCZT/纤维素纳米发电机中，结合长周期和短周期动态特性以实现优化输出和高温稳定性

《Journal of Materials Chemistry C》：Coupled long- and short-period dynamics in Bi3+-doped BCZT/cellulose nanogenerators for optimized output and high-temperature stability

压电纳米发电机（PENGs）通过Bi3+掺杂-复合材料协同策略提升性能与高温稳定性。研究采用掺杂BCZT陶瓷嵌入纤维素/PVDF基体，诱导晶格畸变稳定准各向同性MPB相界，优化陶瓷-聚合物界面氢键网络，实现短周期（本征工作频率）与长周期（界面电荷累积延迟释放）协同输出。当Bi3+掺杂浓度为0.025 mol时，在10 N、5 Hz载荷下达到15.3 V开路电压、16.85 μA短路电流及36.56 μW cm?2峰值功率密度，为极端环境可穿戴能源器件提供新方案。

　　

为了应对对可持续能源解决方案日益增长的需求，压电纳米发电机（PENGs）因能够将机械能转化为电能而受到了广泛研究。然而，提高压电性能和热稳定性，尤其是在可穿戴应用和高温环境中，仍然是一个重大挑战。在这项研究中，采用了一种“掺杂-复合材料”策略来同时改善PENGs的压电性能和高温可靠性。将Bi³⁺离子掺入钡钙锆钛酸盐（BCZT）晶格中，然后将其嵌入纤维素/聚偏二氟乙烯（PVDF）复合基质中作为填料。通过Bi³⁺掺杂，引起了晶格畸变，并实现了稳定的准各向同性相变边界（MPB）。此外，通过氢键网络的形成优化了陶瓷-聚合物界面，从而为多尺度极化动力学奠定了基础。因此，这些器件表现出独特的双周期电压输出：一个短周期分量，对应于PENGs的固有工作频率；另一个长周期分量，受界面电荷积累及其延迟释放的影响。在所研究的各种组成中，PENGs的输出性能随着Bi³⁺浓度的增加而提高，在掺杂水平为0.025摩尔时达到最大值，之后性能开始下降。在这个最佳掺杂水平下，PENGs在5赫兹的施加力下表现出15.3伏的开路电压（V_OC）、16.85微安的短路电流（I_SC）和36.56微瓦/平方厘米（μW cm^?2）的峰值功率密度。这些发现表明，Bi³⁺掺杂为“掺杂-复合材料”系统的多尺度协同优化提供了一种有效方法，从而为能够在极端环境条件下工作的可穿戴电子设备和能量收集装置奠定了理论和实验基础。