譚超良、曾志遠(yuǎn)、高進(jìn)偉教授:基于高性能柔性鋅離子電池和柔性鈣鈦礦太陽能電池構(gòu)建安全自供電智能手環(huán)
來源:能量學(xué)人
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作者:能量學(xué)人
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發(fā)布時(shí)間:2021-06-03
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近年來,可穿戴電子產(chǎn)品因其在多功能娛樂、無線通信、個(gè)人保健和運(yùn)動監(jiān)測等方面的廣闊應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注和快速增長。于此同時(shí),不斷增加的能源消耗和日益增長的環(huán)境意識引發(fā)了對綠色和可再生能源的日益增長的需求。將太陽能電池與儲能設(shè)備相結(jié)合,構(gòu)建自供電能源系統(tǒng)不僅為解決能源和環(huán)境問題提供了一個(gè)有前景的策略,這被認(rèn)為是未來可穿戴電子設(shè)備最重要的發(fā)展方向之一。盡管如此,迄今為止,大多數(shù)報(bào)道的自供電能源系統(tǒng)仍然存在轉(zhuǎn)換效率低、續(xù)航時(shí)間短、缺乏靈活性和安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題,遠(yuǎn)不能滿足可穿戴設(shè)備的要求。水性鋅離子電池 (ZIBs) 由于其安全性好、無毒、成本低、重量輕和易于制造等特點(diǎn),最近吸引了相當(dāng)多的研究關(guān)注。這些特點(diǎn)使ZIBs有望在可穿戴電子領(lǐng)域成為常規(guī)鋰電池的替代品。然而目前ZIBs的活性儲能材料大多為金屬氧化物,存在著負(fù)載量低、導(dǎo)電性差、反應(yīng)動力學(xué)緩慢、倍率性能低等問題,嚴(yán)重限制了ZIBs的發(fā)展和應(yīng)用。開發(fā)簡便有效的方法來同時(shí)提高活性物質(zhì)負(fù)載量和電池的電化學(xué)性能是非常具有挑戰(zhàn)性的。近日,香港城市大學(xué)譚超良課題組等人報(bào)告了一種基于高性能柔性ZIBs和柔性鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)集成的超級安全的自供電腕帶系統(tǒng)。首先通過簡單的丁基鋰處理電極材料(MnO2納米片電沉積在碳布上:MnO2@CC),制備富含氧缺陷的MnO2-x@CC。氧缺陷提高了MnO2本身的導(dǎo)電性能和離子擴(kuò)散性能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了活性物質(zhì)的高負(fù)載以及優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能。采用水凝膠為電解質(zhì)制備的柔性ZIBs具有極高的安全性,電池可以在很寬的溫度范圍(-20-80℃)和不同的損壞條件下(包括穿刺、切割、裁剪、錘擊、浸泡和燃燒)安全運(yùn)行。重要的是,將高性能 ZIBs 與靈活的 PSCs 集成在一起,構(gòu)建了一個(gè)自供電腕帶,它能夠收集周圍的光能,為商業(yè)智能手環(huán)供電。集成后的自供電智能手環(huán)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)動過程中的速度、步頻、心跳、血氧等數(shù)據(jù),并且通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)上。該文章發(fā)表在國際頂級期刊ACS Nano上。論文第一作者為香港城市大學(xué)趙江琦博士后、華南師范大學(xué)博士生徐政杰和洛陽師范大學(xué)周戰(zhàn)副教授。香港城市大學(xué)譚超良教授、曾志遠(yuǎn)教授和華南師范大學(xué)高進(jìn)偉教授本文共同通訊作者。圖1. (a) MnO2@CC和MnO2-x@CC的制備示意圖。(b, c) MnO2@CC 和 (d, e) MnO2-x@CC 的 SEM 圖像。(f) MnO2 和 (h) MnO2-x的TEM 圖像,插圖顯示相應(yīng)的 SAED 圖案。(g) MnO2 和 (i) MnO2-x的 HRTEM 圖像。
MnO2-x@CC 電極的制備過程示意圖如圖 1a 所示。MnO2納米片狀均勻生長在碳纖維上,通過延長沉積時(shí)間,實(shí)現(xiàn)MnO2高負(fù)載(25.5 mg cm-2)此時(shí),MnO2 納米片的沉積網(wǎng)絡(luò)層厚度增加到 9 μm。經(jīng)過簡單丁基鋰處理后,MnO2-x依然保持了納米片狀結(jié)構(gòu),但是結(jié)晶度有所下降,并且從 HRTEM 圖像上可以看到明顯的結(jié)構(gòu)缺陷。圖 2. MnO2@CC 和 MnO2-x@CC 電極的電化學(xué)性能。(a) MnO2@CC 和 MnO2-x@CC 在 0.1 mV s-1 掃描速率下的 CV 曲線。(b) 低負(fù)載 L-MnO2@CC 和 L-MnO2-x@CC 電極在不同電流密度下的GCD 曲線。(c) 高負(fù)載H-MnO2@CC 和 H-MnO2-x@CC 電極在不同電流密度下的GCD 分布。(d) MnO2@CC 和 MnO2-x@CC 電極在不同電流密度下容量。(e)不同條件下氧缺陷對儲能性能影響。(f) MnO2@CC 和 MnO2-x@CC 電極的 Nyquist 圖。(g) MnO2@CC 和 MnO2-x@CC 在 6C 電流密度下的長期循環(huán)穩(wěn)定性。(h) MnO2-x@CC 電極在不同掃描速率下的 CV 曲線。(i) CV曲線在氧化還原峰值處的電流響應(yīng)的 Log (i) 與 log (v) 。(j) 計(jì)算出的不同掃描速率下電容/擴(kuò)散控制貢獻(xiàn)的百分比。
在不同的負(fù)載量和不同的電流密度下,MnO2-x@CC 電極均表現(xiàn)出比MnO2@CC 電極更高的容量。這是由于MnO2-x@CC 電極結(jié)構(gòu)中富含氧缺陷,有利于提高電極材料的導(dǎo)電性能和離子擴(kuò)散。此外,氧缺陷還可以提高電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,MnO2-x@CC 電極在6C的電流下循環(huán)5000圈容量幾乎保持不變。圖 3. 制備的MnO2-x@CC//Zn@CC 準(zhǔn)固態(tài)電池的電化學(xué)性能。(a)準(zhǔn)固態(tài)電池的GCD曲線和(b)在不同電流密度下的相應(yīng)速率性能。(c)準(zhǔn)固態(tài)電池的Ragone圖,與其他報(bào)道的儲能器件進(jìn)行比較。(d) 準(zhǔn)固態(tài)電池不同彎曲角度和 (e) 不同彎曲次數(shù)下的 GCD 曲線,插圖顯示了相應(yīng)的比容量。(f) 準(zhǔn)固態(tài)電池在不同損傷條件下的安全測試,包括穿刺、切割 ,裁剪,錘擊,浸泡和燃燒。
采用LiCl–ZnCl2–MnSO4/PVA 水凝膠作為電解質(zhì)制備了柔性 MnO2-x@CC//Zn@CC 準(zhǔn)固態(tài)電池。電池不但具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,還具有出色的柔韌性。在不同的彎折角度和彎折次數(shù)下,電池容量幾乎保持不變。更重要的是,該準(zhǔn)固態(tài)電池具有極高的穩(wěn)定性,可以在很寬的溫度范圍(-20-80℃)和受到不同的損壞條件下(包括彎折、穿刺、切割、裁剪、錘擊、浸泡和燃燒)安全運(yùn)行。圖 4. MnO2-x@CC//Zn@CC 準(zhǔn)固態(tài)電池在可穿戴方面應(yīng)用演示。(a) 照片展示了柔性 ZIBs 與柔性 PSCs 和商業(yè)手環(huán)集成為自供電智能手環(huán)的過程 (b) 在室外陽光(上)和室內(nèi)燈光(下)測試柔性 PSC 的 J-V 曲線。(c) 組合后PSC-ZIB器件的Vt曲線(第1至第3個(gè)周期的紫色和紅色線分別為在電源下以2 mA進(jìn)行恒電流充電和放電;第4至第6個(gè)周期的綠色和紅色線分別代表在燈光下充電電流約為 2 mA和使用電源以 2 mA 放電)。(d) 自供電智能手環(huán)在室外陽光下的充電曲線,以及后續(xù)運(yùn)行過程中的放電曲線。(e) 自供電智能手環(huán)在室內(nèi)光線下的充電曲線,以及后續(xù)運(yùn)行過程中的放電曲線。照片顯示受試者在 (f) 戶外跑步和 (g) 室內(nèi)騎自行車時(shí)手腕上佩戴了制備的自供電智能手環(huán)。(h,i) 自供電智能手環(huán)獲取的動態(tài)運(yùn)動信息。
為了驗(yàn)證所制備的柔性準(zhǔn)固態(tài)電池的實(shí)用性,將柔性 ZIBs與柔性 PSCs集成在一起,開發(fā)了一種自我維持的電力腕帶,并與智能手環(huán)相結(jié)合。所制備的柔性PSCs在室外陽光和室內(nèi)燈光下都表現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率,使得制備的自供電智能手環(huán)可以在室外和室內(nèi)收集能量,并驅(qū)動手環(huán)持續(xù)運(yùn)行。集成后的自供電智能手環(huán)可以舒適地佩戴在手腕上,實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)動過程中的速度、步頻、心跳、血氧等數(shù)據(jù),并且通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)上。本研究展示了通過將高性能柔性 ZIBs 與柔性 PSCs 集成來構(gòu)建安全的自供電智能腕帶系統(tǒng)。首先通過簡單的丁基鋰處理在MnO2@CC電極中引入豐富的氧缺陷,從而提高電極材料的導(dǎo)電性能和離子擴(kuò)散。獲得的MnO2-x@CC電極表現(xiàn)出高容量、良好的倍率性能和突出的長期循環(huán)穩(wěn)定性。此外,采用水凝膠 為電解質(zhì)制備的準(zhǔn)固態(tài)柔性ZIBs具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和柔韌性,在不同的彎折角度和彎折次數(shù)下,電池容量幾乎保持不變。此外,柔性ZIBs在非常寬的溫度范圍(-20-80℃)和不同的損壞條件下都表現(xiàn)出出色的安全性。更重要的是,集成的自供電腕帶成功驅(qū)動商用智能手環(huán),展示了未來可穿戴自供電能源技術(shù)的巨大潛力。工作證明,富含氧缺陷的MnO2-x@CC 是一種很有前景的正極材料,可用于制造高性能柔性 ZIBs,可用于構(gòu)建高性能且安全的自供電能源系統(tǒng)。Jiangqi Zhao, Zhengjie Xu, Zhan Zhou, Shibo Xi, Yunpeng Xia, Qingyong Zhang, Lanqin Huang, Liang Mei, Yue Jiang, Jinwei Gao*, Zhiyuan Zeng*, and Chaoliang Tan*, A Safe Flexible Self-Powered Wristband System by Integrating Defective MnO2–x Nanosheet-Based Zinc-Ion Batteries with Perovskite Solar Cells, ACS Nano 2021, DOI:10.1021/acsnano.1c03341(本文來源:能量學(xué)人,編輯noornevera發(fā)布整理,如有侵權(quán)請聯(lián)系工作人員刪除)