王中林院士團隊Nano Energy : 柔性摩擦納米發電機與柔性電池集成構筑可穿戴的自充電電源組

【引言】

柔性電子器件，例如可穿戴器件、電子皮膚和智能傳感器等，由于其獨特的柔性以及高效、低成本制造工藝受到了各界的矚目。為了實現全面的柔性，柔性的儲能系統不可或缺。在各種儲能裝置中，鋰離子電池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循環性是便攜式電子產品的最佳選擇之一。然而，傳統LIB是剛性的，難以與柔性電子器件兼容。因此，應優化集電器、電解液和包裝，以符合柔性器件的需求。最近，摩擦納米發電機(TENGs)因其收集機械能并將其轉化為電能而備受關注。TENG可以從日常人體運動中獲取能量，為LIB等儲能設備提供能量。研究人員已經將TENG與各種儲能裝置集成以形成自供電系統。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、孫春文研究員、西班牙馬德里材料研究所José Antonio Alonso教授(共同通訊作者)等將柔性摩擦納米發電機(TENG)與柔性電池集成構筑可穿戴的自充電電源組，并在Nano Energy上發表了題為“Structural and Electrochemical Properties of LiMn_0.6Fe_0.4PO₄ as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究論文。作者首先通過中子粉末衍射(NPD)技術研究了Fe摻雜對LiMnPO₄(LMP)結構的影響。所制備的LiMn_0.6Fe_0.4PO₄/碳(LMFP/C)材料在1C的電流密度下顯示出90 mAh·g^-1的較高比容，是LiMnPO₄/C的約5倍，其具有1000次循環以上的出色循環性能。電化學性能的改善應歸因于(Mn,Fe)O₆的較高八面體畸變以及LMFP中鋰的各向異性橢球較少而易于Li擴散。之后，作者進一步組裝了具有LMFP/C正極和原位聚合電解質的柔性LIB，其表現出優異的柔韌性和可循環性。彎曲300次后，電池沒有明顯的性能下降。最后，作者將柔性摩擦電納米發電機(TENG)與柔性電池集成，形成可穿戴的自充電電源組。TENG可以收獲機械能并將其轉換成電能，為電池充電進而為柔性電致變色膜提供能量。通過每日人體運動，柔性LIB的開路電壓(VOC)在約20 min內從3.32V增加到3.51V。

【圖文簡介】

圖1 LMFP材料的結構表征

a) LMFP樣品的NPD譜圖；
b) LMP樣品的NPD譜圖；
c) LMP的晶體結構；
d) LMFP的晶體結構；
e) 顯示鋰離子通道的LMFP的晶體結構。

圖2 LMFP電極的電化學性能

a) 以LMP/C為正極材料的電池的倍率性能；
b) 以LMFP/C為正極材料的電池的倍率性能；
c) LMP/C和LMFP/C正極在1 C 下的放電容量和庫侖效率。

圖3 柔性LIB電池的電化學性能

a) 柔性LIB電池的示意圖；
b) 柔性電池的倍率性能；
c) 0.5 C下彎折不同次數的電池循環性能；
d) 0.5 C下彎折不同角度電池的循環性能；
e) 0.5 C下兩種不同變形狀態電池循環性能的比較；
f) 0.5C下平坦狀態電池的循環性能。

圖4 可穿戴的自充電電源組

a) 由柔性電池和柔性TENG組成的可穿戴式自充電電源組的照片；
b) 柔性LIB的充/放電曲線，其中操作者在白色區域停止動作，當操作者的手臂移動時，電池在粉紅色區域充電，在藍色區域放電；
c) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的短路電流；
d) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的開路電壓；
e) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的充電量；
f) 輸出功率密度與不同外部負載電阻的關系；
g, h) 為柔性電致變色膜供電的柔性電池的照片。

【小結】

綜上所述，作者利用NPD技術系統地研究了Fe摻雜對LMP晶體結構的影響。LiMn_0.6Fe_0.4PO₄在1000次循環中表現出優異的循環性和良好的倍率性能，沒有明顯的性能下降。通過在PI基底上使MMA充分聚合，開發出具有寬電化學窗口的類固態電解質。此外，作者采用LiMn_0.6Fe_0.4PO₄正極和PMMA-PI電解質制備柔性LIB，具有出色的柔韌性和循環性。電池可以在各種變形狀態下良好地工作數百個循環。最后，作者將柔性TENG與柔性LIB集成在一起，展示了可穿戴式自充電電源組。TENG通過人體運動成功地為柔性LIB充電，證明了上述自供電系統為可穿戴電子器件供電的可行性。

文獻鏈接：Structural and Electrochemical Properties of LiMn_0.6Fe_0.4PO₄ as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.08.007)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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