充電機充電柔性蓄電池和柔性摩擦納米發(fā)電機集成構(gòu)筑可穿戴的自充電電源組
2018-8-27 9:07:04??????點擊：
柔性電子器件，例如可穿戴器件、電子皮膚和智能傳感器等，由于其獨特的柔性以及高效、低成本制造工藝受到了各界的矚目。為了實現(xiàn)全面的柔性，柔性的儲能系統(tǒng)不可或缺。在各種儲能裝置中，鋰離子電池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循環(huán)性是便攜式電子產(chǎn)品的最佳選擇之一。然而，傳統(tǒng)LIB是剛性的，難以與柔性電子器件兼容。因此，應優(yōu)化集電器、電解液和包裝，以符合柔性器件的需求。最近，摩擦納米發(fā)電機(TENGs)因其收集機械能并將其轉(zhuǎn)化為電能而備受關注。TENG可以從日常人體運動中獲取能量，為LIB等儲能設備提供能量。研究人員已經(jīng)將TENG與各種儲能裝置集成以形成自供電系統(tǒng)。
【圖文簡介】
圖 LMFP材料的結(jié)構(gòu)表征
a) LMFP樣品的NPD譜圖；
b) LMP樣品的NPD譜圖；
c) LMP的晶體結(jié)構(gòu)；
d) LMFP的晶體結(jié)構(gòu)；
e) 顯示鋰離子通道的LMFP的晶體結(jié)構(gòu)。
2 LMFP電極的電化學性能
a) 以LMP/C為正極材料的電池的倍率性能；
b) 以LMFP/C為正極材料的電池的倍率性能；
c) LMP/C和LMFP/C正極在1 C 下的放電容量和庫侖效率。
3 柔性LIB電池的電化學性能
a) 柔性LIB電池的示意圖；
b) 充電機充電柔性蓄電池的倍率性能；
c) 0.5 C下彎折不同次數(shù)的電池循環(huán)性能；
d) 0.5 C下彎折不同角度電池的循環(huán)性能；
e) 0.5 C下兩種不同變形狀態(tài)電池循環(huán)性能的比較；
f) 0.5C下平坦狀態(tài)電池的循環(huán)性能。
4 可穿戴的自充電電源組
a) 由充電機充電柔性蓄電池和柔性TENG組成的可穿戴式自充電電源組的照片；
b) 柔性LIB的充/放電曲線，其中操作者在白色區(qū)域停止動作，當操作者的手臂移動時，電池在粉紅色區(qū)域充電，在藍色區(qū)域放電；
c) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的短路電流；
d) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的開路電壓；
e) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的充電量；
f) 輸出功率密度與不同外部負載電阻的關系；
g, h) 為柔性電致變色膜供電的充電機充電柔性蓄電池的照片。
【小結(jié)】
綜上所述，作者利用NPD技術系統(tǒng)地研究了Fe摻雜對LMP晶體結(jié)構(gòu)的影響。LiMn0.6Fe0.4PO4在1000次循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性和良好的倍率性能，沒有明顯的性能下降。通過在PI基底上使MMA充分聚合，開發(fā)出具有寬電化學窗口的類固態(tài)電解質(zhì)。此外，作者采用LiMn0.6Fe0.4PO4正極和PMMA-PI電解質(zhì)制備柔性LIB，具有出色的柔韌性和循環(huán)性。充電機充電蓄電池可以在各種變形狀態(tài)下良好地工作數(shù)百個循環(huán)。最后，作者將柔性TENG與柔性LIB集成在一起，展示了可穿戴式自充電電源組。TENG通過人體運動成功地為柔性LIB充電，證明了上述自供電系統(tǒng)為可穿戴電子器件供電的可行性。
【成果簡介】
柔性摩擦納米發(fā)電機(TENG)與充電機充電柔性蓄電池集成構(gòu)筑可穿戴的自充電電源組，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“Structural and Electrochemical Properties of LiMn0.6Fe0.4PO4 as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究論文。作者首先通過中子粉末衍射(NPD)技術研究了Fe摻雜對LiMnPO4(LMP)結(jié)構(gòu)的影響。所制備的LiMn0.6Fe0.4PO4/碳(LMFP/C)材料在1C的電流密度下顯示出90 mAh·g-1的較高比容，是LiMnPO4/C的約5倍，其具有1000次循環(huán)以上的出色循環(huán)性能。電化學性能的改善應歸因于(Mn,Fe)O6的較高八面體畸變以及LMFP中鋰的各向異性橢球較少而易于Li擴散。之后，作者進一步組裝了具有LMFP/C正極和原位聚合電解質(zhì)的柔性LIB，其表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和可循環(huán)性。彎曲300次后，電池沒有明顯的性能下降。最后，作者將柔性摩擦電納米發(fā)電機(TENG)與充電機充電柔性蓄電池集成，形成可穿戴的自充電電源組。TENG可以收獲機械能并將其轉(zhuǎn)換成電能，為電池充電進而為柔性電致變色膜提供能量。通過每日人體運動，柔性LIB的開路電壓(VOC)在約20 min內(nèi)從3.32V增加到3.51V。【圖文簡介】
圖 LMFP材料的結(jié)構(gòu)表征
a) LMFP樣品的NPD譜圖；
b) LMP樣品的NPD譜圖；
c) LMP的晶體結(jié)構(gòu)；
d) LMFP的晶體結(jié)構(gòu)；
e) 顯示鋰離子通道的LMFP的晶體結(jié)構(gòu)。
2 LMFP電極的電化學性能
a) 以LMP/C為正極材料的電池的倍率性能；
b) 以LMFP/C為正極材料的電池的倍率性能；
c) LMP/C和LMFP/C正極在1 C 下的放電容量和庫侖效率。
3 柔性LIB電池的電化學性能
a) 柔性LIB電池的示意圖；
b) 充電機充電柔性蓄電池的倍率性能；
c) 0.5 C下彎折不同次數(shù)的電池循環(huán)性能；
d) 0.5 C下彎折不同角度電池的循環(huán)性能；
e) 0.5 C下兩種不同變形狀態(tài)電池循環(huán)性能的比較；
f) 0.5C下平坦狀態(tài)電池的循環(huán)性能。
4 可穿戴的自充電電源組
a) 由充電機充電柔性蓄電池和柔性TENG組成的可穿戴式自充電電源組的照片；
b) 柔性LIB的充/放電曲線，其中操作者在白色區(qū)域停止動作，當操作者的手臂移動時，電池在粉紅色區(qū)域充電，在藍色區(qū)域放電；
c) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的短路電流；
d) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的開路電壓；
e) 在不同沖擊頻率下柔性TENG的充電量；
f) 輸出功率密度與不同外部負載電阻的關系；
g, h) 為柔性電致變色膜供電的充電機充電柔性蓄電池的照片。
【小結(jié)】
綜上所述，作者利用NPD技術系統(tǒng)地研究了Fe摻雜對LMP晶體結(jié)構(gòu)的影響。LiMn0.6Fe0.4PO4在1000次循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性和良好的倍率性能，沒有明顯的性能下降。通過在PI基底上使MMA充分聚合，開發(fā)出具有寬電化學窗口的類固態(tài)電解質(zhì)。此外，作者采用LiMn0.6Fe0.4PO4正極和PMMA-PI電解質(zhì)制備柔性LIB，具有出色的柔韌性和循環(huán)性。充電機充電蓄電池可以在各種變形狀態(tài)下良好地工作數(shù)百個循環(huán)。最后，作者將柔性TENG與柔性LIB集成在一起，展示了可穿戴式自充電電源組。TENG通過人體運動成功地為柔性LIB充電，證明了上述自供電系統(tǒng)為可穿戴電子器件供電的可行性。
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