Nano Energy : 柔性鈣鈦礦太陽能電池驅動的可光充電鋰離子電容器及其在自供電可穿戴應變傳感器中的應用

【引言】

隨著物聯網時代的到來，可穿戴電子產品作為人機交互的平臺具有廣闊的應用前景，而其多樣化功能的實現很大程度上依賴于其電源系統的可靠運行，該電源系統應具有柔性、輕質、高穩定性、高安全性及高容量等特性。目前已有報道將先進的光伏器件(如鈣鈦礦太陽能電池(PSC))與儲能器件(包括鋰離子電池（LIB）和超級電容器(SC))進行集成，實現了太陽能的收集和存儲一體化。對于集成體系，光電轉化及存儲的總效率和器件柔性相關的性能指標對于柔性可穿戴設備的實際應用至關重要。此外，對于不同的應用場景，可穿戴設備對于儲能器件的能量/功率密度有著截然不同的要求。因此，將可以實現高能量密度和高功率密度的新興儲能器件結合到集成系統中具有現實意義。鋰離子電容器(LIC)集LIB的高能量密度、SC的高功率密度及長循環壽命等優點于一體，是儲能體系的一個重要研究方向。迄今為止，用于自供電可穿戴電子器件的柔性便攜式PSC-LIC能量集成系統的研究尚處于起步階段。

【成果簡介】

近日，蘇州大學鄒貴付教授、孫靖宇教授和北京大學劉忠范院士(共同通訊作者)團隊合作報道了一種柔性鈣鈦礦太陽能電池(PSC)驅動的可光充電鋰離子電容器(LIC)，該體系將能量收集和存儲功能一體化，并與可穿戴應變傳感器整合，實現了可穿戴自供電能源系統。該柔性PSC-LIC體系在放電電流密度為0.1 A·g^-1時可提供8.41 %的光電轉化存儲總效率以及3 V的高輸出電壓。即使在1 A·g^-1的高電流密度下，仍然可以獲得超過6 %的光電轉化存儲總效率，超過了大部分已報道的光充電源體系。將得到的PSC-LIC能量體系用于自供電可穿戴應變傳感器，實現了在沒有任何外部電源連接的情況下對生理信號數據連續、精確的記錄，從而實現能量收集、存儲和利用一體化的多功能智能系統。這一多功能集成平臺為自供電可穿戴電子產品的發展提供了重要的參考。相關成果以“Flexible perovskite solar cell-driven photo-rechargeable lithium-ion capacitor for self-powered wearable strain sensors”為題發表在Nano Energy上，論文的共同第一作者為李超博士、叢姍博士和碩士研究生田政南，合作者包括蘇州大學能源學院的Mark Rümmeli教授、英國劍橋大學的邵元龍博士，德國明斯特大學的李劼博士以及澳大利亞伍倫貢大學的竇世學院士等。

【圖文簡介】
圖1 柔性PSC-LIC-Sensor集成系統

柔性PSC-LIC-Sensor集成系統的示意圖。

圖2 柔性鈣鈦礦太陽能電池構建及柔性狀態性能表征

a) 柔性PSC結構的示意圖；
b) 柔性PSC器件橫截面組分的SEM圖像；
c) 柔性PSC器件直接穿戴在活甲蟲上的數碼照片，顯示其可穿戴性，插圖為PSC的IPCE光譜；
d) 單一柔性PSC和四個串聯柔性PSC的J-V曲線及效率；
e) 柔性PSC器件的開路電壓VOC和短路電流JSC隨彎曲循環次數的變化，插圖為柔性PSC在不同彎曲和折疊條件下的照片；
f) 柔性PSC器件在柔性彎折測試500次的J-V曲線變化。

圖3 LTO/rGO負極的材料表征以及相應LIC器件的電化學測試

a) 所制備的LTO/rGO復合材料的SEM圖像；
b) 所制備的LTO/rGO復合材料的STEM圖像以及相應的元素分布；
c) 所制備的LTO/rGO復合材料的HRTEM圖像；
d) 掃速為1-50 mV·s^-1，采用LTO/rGO負極和AC正極的LIC器件的CV曲線；
e) LIC器件在不同電流密度下的恒電流充-放電曲線；
f) LIC器件的EIS頻譜；
g) 1 A·g^-1下LIC的長循環性能，插圖照片為可穿戴LIC為手表供電。

圖4 柔性LIC器件在彎折測試下的性能

a) 柔性LIC器件的示意圖；
b) LIC器件在0.05-5 A·g-1電流密度下的倍率容量；
c) 彎折試驗中柔性LIC器件的恒電流充-放電曲線；
d) 柔性LIC在不同彎曲狀態下的循環性能，插圖為器件平放和彎曲狀態的照片； e-g) 柔性LIC器件在不同彎折條件下為LED指示燈供電的照片。

圖5 柔性PSC-LIC集成模塊性能及自供電可穿戴傳感器實現生理信號記錄

a) 柔性PSC-LIC集成模塊的照片，彎曲狀態顯示出器件良好的柔性；
b) 直接附在衣服上的PSC-LIC模塊的照片；
c) PSC-LIC集成模塊的電壓-時間曲線(紅色和黑色曲線：紅色為使用PSC進行光照充電，黑色以0.1 A·g-1進行恒電流放電)；
d) PSC-LIC模塊的電壓-時間曲線(以PSC進行光照充電，以不同電流密度進行恒電流放電)；
e) PSC-LIC器件的總效率和LIC的儲能效率隨循環次數的變化；
f) 目前已報道光充儲能器件性能(總效率和輸出電壓)的比較；
g) 利用太陽能的自供電可穿戴傳感器(PSC-LIC-Sensor集成系統)的示意圖；
h) 以PSC-LIC集成器件為電源的自供電傳感器記錄脈搏 (上面板)和手指運動(下面板)的信號。

【小結】

綜上所述，本文以柔性電子設備的電源系統要求為出發點，構筑了PSC-LIC集成系統，實現了能量收集和存儲的雙重功能一體化，光電轉化儲能總效率超過目前大部分已有的光充儲能體系，同時具有柔性和便攜性的優勢。在彎折測試中表現出較好的穩定性，并應用于可穿戴功能電子器件的能源體系。相應的自供電可穿戴應變傳感器可連續、精確記錄生理信號數據，而無需任何外部電源連接。PSC-LIC-Sensor體系的開發實現了在一個智能系統內能量收集、存儲和利用的協同，為構建用于真實場景的自供電可穿戴電子設備提供了可能的解決方案。在該工作中提出的概念有望實際應用于電動汽車和電網存儲等大規模應用。

文獻鏈接：Flexible perovskite solar cell-driven photo-rechargeable lithium-ion capacitor for self-powered wearable strain sensors (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.061)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理，感謝論文通訊作者孫靖宇教授對稿件的修正。

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