充電機(jī)充電柔性蓄電池和柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)集成構(gòu)筑可穿戴的自充電電源組
2018-8-27 9:07:04??????點(diǎn)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(dú)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(shí)現(xiàn)全面的柔性，柔性的儲(chǔ)能系統(tǒng)不可或缺。在各種儲(chǔ)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(yīng)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(jī)(TENGs)因其收集機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能而備受關(guān)注。TENG可以從日常人體運(yùn)動(dòng)中獲取能量，為LIB等儲(chǔ)能設(shè)備提供能量。研究人員已經(jīng)將TENG與各種儲(chǔ)能裝置集成以形成自供電系統(tǒng)。
【圖文簡(jiǎn)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(xué)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(xué)性能
a) 柔性LIB電池的示意圖；
b) 充電機(jī)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?fàn)顟B(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(jī)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(dòng)作，當(dāng)操作者的手臂移動(dòng)時(shí)，電池在粉紅色區(qū)域充電，在藍(lán)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(fù)載電阻的關(guān)系；
g, h) 為柔性電致變色膜供電的充電機(jī)充電柔性蓄電池的照片。
【小結(jié)】
綜上所述，作者利用NPD技術(shù)系統(tǒng)地研究了Fe摻雜對(duì)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(xué)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(jī)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)介】
柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)與充電機(jī)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(shù)研究了Fe摻雜對(duì)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(xué)性能的改善應(yīng)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(kuò)散。之后，作者進(jìn)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(jī)(TENG)與充電機(jī)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(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換成電能，為電池充電進(jìn)而為柔性電致變色膜提供能量。通過每日人體運(yùn)動(dòng)，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(jiǎn)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(xué)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(xué)性能
a) 柔性LIB電池的示意圖；
b) 充電機(jī)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?fàn)顟B(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(jī)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(dòng)作，當(dāng)操作者的手臂移動(dòng)時(shí)，電池在粉紅色區(qū)域充電，在藍(lán)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(fù)載電阻的關(guān)系；
g, h) 為柔性電致變色膜供電的充電機(jī)充電柔性蓄電池的照片。
【小結(jié)】
綜上所述，作者利用NPD技術(shù)系統(tǒng)地研究了Fe摻雜對(duì)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(xué)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(jī)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(gè)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(yùn)動(dòng)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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