基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物

基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物本文亮点:
1. 以普通纱线为基底,自组装氧化还原石墨烯和碳纳米管为负极和羟基氧化钴镍纳米片为正极的非对称电容器的具有极高的高能量/功率密度和可编织性。
2. 氟化处理的聚二甲基硅氧烷(F-PDMS)作为介电层包覆的发电机纤维的输出明显提高。
3. 发电机纤维和电容器纤维可以编织到同一件织物中,为可穿戴设备供电。
【前沿部分】
电子纺织品(E-textiles)和柔性可穿戴电子作为一种新兴技术越来越受到人们的广泛关注,它可能会彻底改变我们未来的生活。目前,已经有各种功能性电子器件如晶体管、压力传感器等可集成在纤维/织物中,用于健康/运动监测、个人热管理等。其中一个不可回避的问题就是如何在不牺牲电子纺织品的舒适性、柔性和透气性的条件下,为这些电子元件提供可持续的能源供应。因此有必要针对目前可穿戴智能设备供能时间短及不可变形的两个缺点,开发集成可编织发电纤维和高能量密度柔性电容器纤维的自充电供能系统。
近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、胡卫国研究员与王中林院士研究团队在自充电织物领域取得新进展,文中报道了一种基于纱线的能量采集摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators,TENG)和基于储能纱线的非对称超级电容器(Yarn-type Asymmetric Supercapacitors,Y-ASC)交织而成的自充电织物。文中采用具有镍/铜涂层的普通涤纶纱作为Y-ASCs的一维集流体和TENGs的电极。固态的Y-ASC具有高的面能量密度(78.1 Wh /cm2)、高功率密度(14 Mw/cm2)、稳定的循环性能(5000次循环下82.7%的容量保持率)和良好的柔性(180度下弯曲1000次)。此外,TENG纱线可编织成普通面料,具有比较理想的时尚设计,并且可以从人体日常运动中收集机械能得到高的输出(60 V的开路电压和3 μA的短路电流)。该集成式自充电动力纺织品可以在不需要其他电源充电的情况下驱动电子表工作,在电子纺织品和可穿戴电子产品领域具有十分广阔的应用前景。相关研究发表在《Advanced functional materials》上(影响因子:13.325),论文的共同第一作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生刘萌萌和丛梓峰。
【核心内容】
基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物 图1. 纱线电极和非对称超级电容器(ASC)的制备。 a)基于纱线的非对称式超级电容器(Y-ASC)制备工艺示意图。b)不同材料(Ni, Cu, Ni- Co BOH, rGO/CNT)包覆下纱线的光学照片。c)手套面料中织有两根镀铜纱线,蓝光LED通过导电纱线被点亮。d)铜包覆纱线截面的扫描电镜(SEM)图像和能谱(EDS)分析。e)铜包覆纱线的应力应变曲线。f)文献报道的柔性集流体的导电性与本文工作的对比。其中(b)中插图、(d)和(d)中插图的比例尺分别为1 cm,20 μm,3 μm。
基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物图2. 还原氧化石墨烯/碳纳米管(rGO/CNT)和羟基氧化钴镍(NiCo BOH)纱线电极的形貌和结构表征。a)水热自组装法制备rGO/CNT包覆纱线的工艺示意图。b-d) rGO/ CNT包覆纱线电极截面的SEM和EDS元素分析。e,f)不同放大倍数下的NiCo BOH包覆纱线的SEM图像和g) NiCo BOH纳米片的EDS元素分布。所涉及比例尺,(b)10 μm,(c) 3 μm,(d) 1 μm,(e)100 μm,(f)30 μm,(f)中的插图300 nm,(g)5 μm。
基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物图3. 固态非对称超级电容器(ASC)的电化学性能和柔性测试。 a) ASC纤维随电压窗口升高的的CV曲线b)不同扫描速率下获得的CV曲线。c)不同电流密度下的GCD曲线。d)面/长度比容量随电流密度变化曲线。e)在5 mA/cm2 电流密度下的循环性能f)该电容器与文献报道的超级电容器和非对称超级电容器的能量密度和功率密度比较图。g)在9 mA/cm2 的电流密度下,该电容器在不同角度弯曲的GCD曲线,插图显示该设备可以弯曲和打结。h)装置在在180°下弯曲1000个周期的归一化容量变化曲线。插图是ASC在线性马达上平面和弯曲状态的照片。i)将两个串联的ASC编织成织物和一个由该储能织物供电的手表的照片。
基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物图4. 用于能量收集的TENG纱线的输出性能及工作机理。a)镀镍/铜导电纱线在外壳包覆F-PDMS层用于编织TENG织物的示意图。插图为纱线的横断面SEM图像和EDS元素分布。b)经化学修饰后表面含氟基团的F-PDMS的示意图。c)原始PDMS和F-PDMS纱线的FTIR光谱。d)TENG纺织品的工作机理示意图。e,f) F-PDMS纱线和未处理纱线编织的TENG织物的输出性能。(a)中插图比例尺为500μm。
基于高能量密度非对称电容器的可编织自充电织物图5. 一种自充电的纺织品。a)自充电织物示意图。采用整流桥对TENG输出电压和电流进行整流后对非对称超级电容器进行充电。b) 普通织物中编入形状为英文字母(BINN)的能量收集纱线和ASC纱线。c)自充电系统的等效电路,利用能量采集织物TENG对ASC进行充电,然后为电子产品供电。d)不同运动频率的TENG面料对两个串联ASC纤维充电电压。e) 以4Hz的运动频率轻拍TENG面料给两个串联连接的ASC纱线充电,然后驱动手表工作
Mengmeng Liu, Zifeng Cong, Xiong Pu, Wenbin Guo, Ting Liu, Meng Li, Yang Zhang, Weiguo Hu, Zhong Lin Wang, High‐Energy Asymmetric Supercapacitor Yarns for Self‐Charging Power Textiles, Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201806298

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参考文献:Adv. Funct. Mater.