柔性、多功能的可穿戴自供电纤维状能源器件

能源与环境危机已经成为人类社会关注的重要问题,因此设计绿色高效的能源采集和存储器件是非常重要的。在过去的十多年里,染料敏化太阳能电池、超级电容器、锂离子电池、燃料电池等能源器件得到了广泛研究,然而随着便携式设备的发展,传统的能源器件结构已经无法满足人们对微型化、便携化、集成化的可穿戴设备需求。与传统的平面状能源器件相比,纤维状能源器件质量更轻、柔性更好、集成度更高,同时可以像高分子纤维一样,通过纺织技术进行大规模应用,从而满足可穿戴设备和各种便携式电子设备的应用需求。

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近期,南京大学金钟和刘杰教授研究团队设计了一种多功能的CF@TiO2@MoS2同轴纳米复合纤维,碳纳米纤维的高导电性以及二硫化钼优异的电化学性能的结合,使得该复合纤维在太阳能电池、超级电容器、锂离子电池以及电化学催化中均展现出优异的性能。其中,染料敏化太阳能电池主要是在钛丝上使用电化学阳极氧化法制备了二氧化钛纳米管,CF@TiO2@MoS2同轴纳米复合纤维作为对电极,注入电解液后,构成纤维状太阳能电池,在标准光源条件下其光电转换效率达到了9.5%,是目前世界上已发表文献中纤维状太阳能电池效率的最高记录。超级电容器主要是利用PVA/H3PO4凝胶作为电解质,制备了对称型纤维状超级电容器,其电容可达18.51 mF cm−2。在此研究基础上,该团队通过简单、低成本的方法,构筑了纤维状光电转换与能源存储一体化集成器件。在设计的自供电纤维状能源器件中,能源采集和能源存储单元共享同一根纤维电极,在单个纤维器件上同时实现“光-电-电化学”能源采集和存储,并且具有高效率、耐弯折、可编织等优点。在太阳光照条件下,该器件的超级电容器部分能够实现仅需7秒钟的快速充电。

该工作设计的自供电纤维状能源器件在柔性可穿戴自供电能源系统中迈出了关键一步,为发展下一代先进能源器件提供了新思路。

该论文第一作者为南京大学助理研究员梁佳和博士生朱国银。  相关论文发表于近期的Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601208)上。