Textured Lead-Free Piezoelectric Ceramics for Flexible Energy Harvesters

材料科学 压电 陶瓷 功勋 能量收集 电压 复合材料 能量(信号处理) 功率密度 功率(物理) 光电子学 电气工程 热力学 统计 数学 工程类 物理
作者
Yuvasree Purusothaman,Haoyang Leng,Aman Nanda,Ilan Levine,Shashank Priya
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (5): 6584-6593 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.2c15640
摘要

A lead-free (K,Na)NbO3-based piezoelectric ceramic is textured along the (001) direction using the NaNbO3 (NN) seeds. The composition 0.96(K0.5Na0.5)(Nb0.965Sb0.035)O3-0.01CaZrO3-0.03(Bi0.5K0.5)HfO3 (KNN) is found to provide an excellent combination of electromechanical coefficients at room temperature. The textured composition with 5 wt % NN template (KNN-5NN) exhibits considerably improved electromechanical coefficients, d33 ∼ 590 pC/N, k31 ∼ 0.46, and d31 ∼ 215 ×10-12 C/N, at room temperature. A flexible piezoelectric energy harvester (F-PEH) is fabricated using the textured KNN-5NN ceramic and tested under cyclic force. F-PEH exhibits enhanced output voltage (Voc ∼ 25 V), current (I ∼ 0.4 μA), and power density (PD ∼ 5.5 mW/m2) (RL of 10 MΩ) in the off-resonance frequency regime. In comparison to the random ceramic KNN-0NN-based F-PEH (Voc ∼ 8 V and I ∼ 0.1 μA), the textured F-PEH significantly outperformed energy harvesting capability due to the large figure-of-merit value (d31 × g31) ∼ 3354 ×10-15 m3/J. This work provides a methodology for texturing lead-free materials and further implementing them in flexible energy harvesting devices and sensors.
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