王中林院士团队Nano Energy : 柔性摩擦纳米发电机与柔性电池集成构筑可穿戴的自充电电源组

【引言】

柔性电子器件，例如可穿戴器件、电子皮肤和智能传感器等，由于其独特的柔性以及高效、低成本制造工艺受到了各界的瞩目。为了实现全面的柔性，柔性的储能系统不可或缺。在各种储能装置中，锂离子电池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循环性是便携式电子产品的最佳选择之一。然而，传统LIB是刚性的，难以与柔性电子器件兼容。因此，应优化集电器、电解液和包装，以符合柔性器件的需求。最近，摩擦纳米发电机(TENGs)因其收集机械能并将其转化为电能而备受关注。TENG可以从日常人体运动中获取能量，为LIB等储能设备提供能量。研究人员已经将TENG与各种储能装置集成以形成自供电系统。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙春文研究员、西班牙马德里材料研究所José Antonio Alonso教授(共同通讯作者)等将柔性摩擦纳米发电机(TENG)与柔性电池集成构筑可穿戴的自充电电源组，并在Nano Energy上发表了题为“Structural and Electrochemical Properties of LiMn_0.6Fe_0.4PO₄ as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究论文。作者首先通过中子粉末衍射(NPD)技术研究了Fe掺杂对LiMnPO₄(LMP)结构的影响。所制备的LiMn_0.6Fe_0.4PO₄/碳(LMFP/C)材料在1C的电流密度下显示出90 mAh·g^-1的较高比容，是LiMnPO₄/C的约5倍，其具有1000次循环以上的出色循环性能。电化学性能的改善应归因于(Mn,Fe)O₆的较高八面体畸变以及LMFP中锂的各向异性椭球较少而易于Li扩散。之后，作者进一步组装了具有LMFP/C正极和原位聚合电解质的柔性LIB，其表现出优异的柔韧性和可循环性。弯曲300次后，电池没有明显的性能下降。最后，作者将柔性摩擦电纳米发电机(TENG)与柔性电池集成，形成可穿戴的自充电电源组。TENG可以收获机械能并将其转换成电能，为电池充电进而为柔性电致变色膜提供能量。通过每日人体运动，柔性LIB的开路电压(VOC)在约20 min内从3.32V增加到3.51V。

【图文简介】

图1 LMFP材料的结构表征

a) LMFP样品的NPD谱图；
b) LMP样品的NPD谱图；
c) LMP的晶体结构；
d) LMFP的晶体结构；
e) 显示锂离子通道的LMFP的晶体结构。

图2 LMFP电极的电化学性能

a) 以LMP/C为正极材料的电池的倍率性能；
b) 以LMFP/C为正极材料的电池的倍率性能；
c) LMP/C和LMFP/C正极在1 C 下的放电容量和库仑效率。

图3 柔性LIB电池的电化学性能

a) 柔性LIB电池的示意图；
b) 柔性电池的倍率性能；
c) 0.5 C下弯折不同次数的电池循环性能；
d) 0.5 C下弯折不同角度电池的循环性能；
e) 0.5 C下两种不同变形状态电池循环性能的比较；
f) 0.5C下平坦状态电池的循环性能。

图4 可穿戴的自充电电源组

a) 由柔性电池和柔性TENG组成的可穿戴式自充电电源组的照片；
b) 柔性LIB的充/放电曲线，其中操作者在白色区域停止动作，当操作者的手臂移动时，电池在粉红色区域充电，在蓝色区域放电；
c) 在不同冲击频率下柔性TENG的短路电流；
d) 在不同冲击频率下柔性TENG的开路电压；
e) 在不同冲击频率下柔性TENG的充电量；
f) 输出功率密度与不同外部负载电阻的关系；
g, h) 为柔性电致变色膜供电的柔性电池的照片。

【小结】

综上所述，作者利用NPD技术系统地研究了Fe掺杂对LMP晶体结构的影响。LiMn_0.6Fe_0.4PO₄在1000次循环中表现出优异的循环性和良好的倍率性能，没有明显的性能下降。通过在PI基底上使MMA充分聚合，开发出具有宽电化学窗口的类固态电解质。此外，作者采用LiMn_0.6Fe_0.4PO₄正极和PMMA-PI电解质制备柔性LIB，具有出色的柔韧性和循环性。电池可以在各种变形状态下良好地工作数百个循环。最后，作者将柔性TENG与柔性LIB集成在一起，展示了可穿戴式自充电电源组。TENG通过人体运动成功地为柔性LIB充电，证明了上述自供电系统为可穿戴电子器件供电的可行性。

文献链接：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)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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