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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    告別充電器:一種可以隨身攜帶的能量源

                    2020-11-18 14:02:00

                      “天地與我同根, 萬物與我一體”(《碧巖錄》),正所謂世間所象, 共為一體。人類社會正在朝著萬物互聯的方向蓬勃發展。例如當今快速崛起的人工智能技術和柔性電子技術正是這一代表, 新技術將人與人、人與物、物與物的距離拉近, 信息共享, 實時傳輸——世界開始變得越來越是一個整體。而其中, 作為物聯網技術的核心, 便攜式和集成式的自供電能源技術是人們關注的焦點。

                      什么是自供電能源技術? 自供電能源技術是一種新興和具有廣泛應用前景的能源技術。無須充電, 靠自身從外界獲取能量并及時存儲起來, 可以說是一個隨時隨地產生能量的源泉。但是, 就目前而言, 現有的自供電能源體系大多器件設計冗雜, 笨重有余, 不能滿足萬物互聯的時代發展要求?;诖? 本研究團隊借助打印技術實現將微型的鎂離子基超級電容器和柔性的硅基太陽能電池的有效集成, 設計了高柔性和可穿戴的太陽能自供電單元,相關的研究成果發表在 Nature Communications。

                    電源

                      眾里尋他千百度——鎂離子

                      超級電容器通常具有高功率密度和長循環穩定性, 是自供電能源系統儲能部件的不二選擇。一方面, 高的功率密度很適合承擔太陽能電池大的輸出電流; 另一方面, 良好的循環穩定性也適合提高自供電能量系統的使用壽命。但是, 較低的能量密度限制了其續航能力, 成為應用的最大瓶頸。

                      那么, 如何有效地提高能量密度呢? 大量的工作聚焦于設計更為高效的電極材料(大的比表面積, 豐富的層級結構)。本團隊另辟蹊徑, 篩選合適的中性電解液體系, 發現在硫酸鎂的電解液體系中, 氮化釩材料具有最高的比電容(240 F/g), 是在其他中性鹽溶液中的 2 倍多(硫酸鋰、硫酸鉀、硫酸鈉)。同時, 在硫酸鎂電解液中觀察到較大的析氫過電勢, 更高的析氫過電勢帶來了更寬的電壓窗口, 從而實現更高的能量密度。此外, 中性水系電解液的高安全性亦成為可穿戴儲能體系的上乘之選。

                      鎂離子電解液中較高的比電容可以歸因于兩個方面: (1) 鎂離子電解液是兩電子基的法拉第反應途徑; (2) 鎂離子在氮化釩材料中表現為更抑制的析氫反應動力學。對于反應機理的探究, 本研究組通過原位 X 射線衍射(XRD)技術和間位 X 射線光電子能譜分析(XPS)技術, 觀測了鎂離子的電化學行為, 發現在氮化釩材料中, 鎂離子表現為贗電容的嵌入和脫出行為, 嵌入的過程中伴隨著釩價態的變化。

                      通過選取正極材料二氧化錳、負極材料氮化釩、硫酸鎂電解液和聚丙烯酰胺的凝膠電解質來組裝非對稱超級電容器, 實現了 2.2 V 的寬電壓窗口和 13.1 mWh/cm3 的高能量密度。

                    電源

                      好馬還需配好鞍——打印技術

                      雖然基于鎂離子基的準固態超級電容器實現了高的能量密度和寬的電壓窗口, 但是運用到便攜式和集成式的自供電能源系統領域卻仍然存在很大的問題, 如缺乏集成度, 即剛性的結構很難實現多個功能模塊之間的相互功能匹配。

                      正所謂好馬還需配好鞍, 先進的功能化系統離不開先進的器件制備技術。在微型器件制備方面, 打印技術成為制備集成化系統的利器。打印技術可以高效實現微型儲能器件的構筑, 形狀可控, 并且還具有高柔性、高兼容性的優勢。本團隊利用絲網印刷技術, 制備了高柔性的微型超級電容器, 面積比能量達到 19.13 μWh/cm2 。正是因為打印技術的使用, 微型超級電容器和太陽能電池的集成變得可行: 選用柔性的非晶硅薄膜太陽能電池作為能量轉換部件,得以構筑全柔性的太陽能自供電單元。

                      對于自供電系統來說, 整體的能量轉化效率是一個非常重要的評價指標。影響它的因素是多方面的, 包括太陽能電池的光電轉化效率、儲能器件的能量存儲效率、輸出電壓的適配性、輸出電流的大小等。本研究中, 2.2 V 的電容器輸出電壓與柔性太陽能電池 2.5 V 的輸出電壓匹配良好, 同時該超級電容器的儲能效率高達 80%。這些因素決定了全柔性自供電體系的高的光電轉化效率(5.2%, 高于其他柔性系統)。同時, 自供電體系的循環性能也因為超級電容器高的機械/電化學穩定性而得到提升: 光充電/放電 100 圈循環后, 容量保持率為 98.7%, 領先于絕大多數報道的柔性自供電系統。

                      結語

                      綜上, 本研究基于微型超級電容器和柔性太陽能電池的打印集成設計, 成功實現了高柔性、高便攜度、高安全、高集成化的自供電能量單元。此外, 本研究對多價離子中性電解質(例如鎂離子)的優選, 以及對電化學儲能機制的闡述(贗電容嵌入機理), 相信也會帶來一定的思考。便攜式和集成式的自供電能源技術, 是真正可以做到讓我們擺脫充電器——成為隨身攜帶, 隨時使用的能量源泉; 也推動了萬物互聯、信息交匯、人機一體化的發展與進步。

                    作者:田政南, 邵元龍, 孫靖宇

                    本文來自《科學通報》

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