西建大(云斯寧)/(張永偉)/西電(徐奇)/(劉金妹)/(秦勇)：實現能量捕獲與儲存的新一代集成器件最新研究進展

【背景介紹】

隨著化石燃料的不斷消耗，以及能源需求的日益增加，開發高效率的能量轉化與存儲器件，將環境中的綠色能源，如太陽能、風能、海洋能、生物質能等轉化為更加容易利用的新型能源尤為重要。目前為止，大量的能源轉化器件，如太陽能電池、壓電納米發電機、摩擦納米發電機及燃料電池等，實現了環境中能量的捕獲和轉化。然而這些能量的利用卻高度依賴于時間和環境，無法實現持續穩定的供給，不能很好地滿足實際需求。

將能量捕獲和儲存器件集成，或將多種能量捕獲及儲存器件，可以實現環境中多種形式能量的同時捕獲轉化以及儲存，形成自供電系統，從而增加器件對環境的適應性，滿足能源的需求。近年來已開發出多種集成器件，如：（1）鋰離子電池與超級電容器的集成器件；（2）鋰離子與納米發電機的集成器件；（3）燃料電池與納米發電機的集成器件；（4）超級電容器和光電探測器的集成器件；（5）超級電容器與太陽能電池的集成器件；（6）超級電容器、光電探測器以及硅太陽能電池的集成器件；（7）鋰離子電池和染料敏化太陽能電池的集成器件；（8）超級電容器、染料敏化太陽能電池與納米發電機的集成器件等。這些集成器件實現了能量的捕獲、轉化和儲存。

目前，科研人員已經對集成器件的開發進行了大量的研究。因此，對已有研究工作中各類集成器件的集成方式及工作原理，集成器件結構與性能之間的聯系等進行系統的分類、歸納、總結，找出共性，對今后發展指明方向，同時對研究現狀、發展趨勢，面臨的挑戰及展望做出科學的評論，這對集成器件的開發意義重大。

【成果介紹】

近日，由西安建筑科技大學云斯寧教授牽頭，博士生張永偉以及西安電子科技大學徐奇博士、劉金妹博士、秦勇教授共同參與，合作完成了題為“Recent advance in new-generation integrated devices for energy harvesting and storage”的評論文章，在納米能源領域國際頂級期刊《Nano Energy》在線發表。基于現有的研究工作，論文全面總結了關于能量捕獲、儲存的集成器件最新研究現狀、結合方式及工作原理；詳細評估了器件結構與性能之間的聯系；分析了集成器件未來的發展趨勢；揭示了納米材料和納米技術對孤立及集成器件性能的促進作用，討論和展望了成功實現市場化的機遇和挑戰。

【圖文導讀】

圖1.?基于能量收集和存儲設備的集成器件

LIB：鋰離子電池；NG：納米發電機；SC：超級電容器；

BFC：生物燃料電池；PD：光電探測器。

圖2. 鋰離子電池和超級電容器集成器件（LIB&SC）

（a）基于穩定鋰金屬粉末（SLMP）負載硬質碳陽極的插層式電池和基于活性炭陰極的雙電層電容組成的SC&LIB集成器件的示意圖；

（b）基于B和N雙摻雜3D碳納米纖維的SC&LIB集成器件的電荷儲存機理示意圖；

（c）無粘合劑SC&LIB集成器件結構示意圖；

（d）Li₄Ti₅O₁₂納米線陣列陽極的SEM圖，插圖是柔性LIB&SC集成器件的光學照片；

（e）不同材料體系能量密度和功率密度對比圖。

圖3.?鋰離子電池和納米發電機集成器件（LIB&NG）

（a）LIB&NG集成器件的示意圖；

（b）置于鞋底的LIB&NG集成器件的光學照片；

（c）LIB&NG集成器件的橫截面SEM圖；

（d）二氧化鈦納米管陣列的側視圖及其頂部俯視圖。

圖4. 鋰離子電池和摩擦納米發電機集成器件（LIB&TENG）

（a）鎳布基底、LiFePO₄陰極和Li₄T_i5O₁₂陽極光學照片；

（b）彎曲陽極的光學照片；

（c）完全折疊后的陽極SEM圖；

（d）裝配有LIB腰帶的光學照片；

（e）TENG的制作流程；

（f）LIB&NG集成器件的等效電路圖和光學照片。

圖5.?生物燃料電池和納米發電機集成器件（BFC&NG）

（a）BFC、PENG和BFC&NG集成器件的開路電壓；

（b）PEBFC&NG集成器件的電路圖；

（c）PEBFC&NG集成器件的示意圖；

（d）PEBFC&NG集成器件設計示意圖。

圖6. BFC&NG 集成器件

（a）BFC&NG集成器件的三維示意圖。左上角的插入圖是ZnO納米線的SEM圖。右下角的插圖是集成器件的光學照片；

（b）纖維NG的工作原理圖；

（c）纖維NG的I-V特性曲線。

圖7.?光電探測器和生物燃料電池集成器件（PD&BFC）

（a）基于碳纖維和ZnO納米線的BFC結構原理圖；

（b）基于PD和BFC集成器件的電路圖。EVS是外部電壓源；藍色是BFC。裝置兩端的二極管代表CdS和金屬電極之間的局部肖特基接觸；

（c）PD&BFC集成器件和BFC的開路電壓（V_OC，綠色）和短路電流（I_SC，紅色）；

（d）由BFC和PD組成的自供電PD&BFC集成器件示意圖。其中，E代表電極，MFC為微生物燃料電池或BFC。

圖8.?超級電容器和光電探測器集成器件（SC&PD）

?

（a）基于太陽能電池、SC和PD的集成器件的示意圖；

（b）TiO₂納米線PD在暗態和光照條件下的電流-電壓特征曲線；

（c）在0.305 V偏壓下的光電流（I_ph）曲線；

（d）瞬態電流響應特性曲線和相應的偏壓變化曲線。

圖9.?超級電容器（SC）和不同類型太陽能電池的集成器件示意圖

DSSC：染料敏化太陽能電池；QDSC：量子點敏化太陽能電池；

PeSC：鈣鈦礦太陽能電池；PSC：聚合物/有機太陽能電池。

圖10.?SC&Solar cell 集成器件

（a）由FSC和FDSSC組成的SC&DSSC集成器件的示意圖和光學照片；

（b）單基板的SC&PSC集成器件的結構示意圖；

（c）QDSC的能帶圖；

（d）SC&QDSC集成器件的示意圖；

（e）SC&PeSC集成器件的示意圖及工作機理；

（f）c-Si太陽能電池的集成器件充電原理圖；

（g）柔性集成器件示意圖。

圖11. 基于纖維襯底的NG&SC&DSSC集成器件

（a）石墨烯的SEM圖；（b）石墨烯的拉曼光譜圖；（c）ZnO納米線陣列的SEM圖。

圖12.?鋰離子電池和染料敏化太陽能電池集成器件（LIB&DSSC）

?

（a）基于TiO₂納米管陣列的LIB&DSSC集成器件的結構示意圖及其工作原理圖；

（b）基于柔性光纖的LIB&DSSC集成器件的結構示意圖。

【總結與展望】

與孤立器件相比，自供電集成器件大大縮小了器件的尺寸和重量，彌補了孤立器件的眾多不足，提高了器件的可靠性和穩定性。然而，自供電集成器件的研發正處于起步階段，仍然面臨許多挑戰：如不能同時獲得高的能量密度和高的功率密度；性能隨使用時間的增加而下降；在非理想工作條件下不能實際應用；整體性能受限于孤立器件性能的制約；各個器件間關鍵參數的不匹配等。

為滿足未來不同領域對于高效、持久、穩定、高質量集成器件的需求，需要從本質上認清這些器件之間的相互聯系，從而優化其屬性、結構，消除組成單元的不匹配性，使自供電集成器件的各組成元件間協調、高效地工作。論文提出的觀點對能量收集、儲存及自供電集成器件的快速發展具有重要的引領和指導作用，對集成器件的進一步研究與開發意義重大。

S.Yun*, Y. Zhang, Q. Xu, J. Liu, Y. Qin, Recent advance in new-generation integrated devices for energy harvesting and storage, Nano Energy, 2019,60,600-619.

期刊連接：https://www.journals.elsevier.com/nano-energy/

論文連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302691

DOI:?10.1016/j.nanoen.2019.03.074

本文由西安建筑科技大學云斯寧教授團隊和西安電子科技大學秦勇教授供稿

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