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下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系

海外新闻 时间: 浏览:157 次

榜首作者: 马晨翔;通讯作者:Wenzhuo Wu, Dong Lin, Dong Ding

通讯单位:Purdue University

论文DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104124

研讨布景

A. 锰氧化物/石墨烯气凝胶复合电极用作柔性超级电容器

柔性电子器材是指在必定程度的形变(包含且不限于曲折、折叠、改变、紧缩或拉伸等)条件下仍可作业的电子器材。柔性电子技能开展中的一个应战是开发可以与柔性电子设备相匹配的轻浮而且柔性的电化学储能设备。

传统的电化学储能设备,锂离子电池等都是无法弯折的刚性器材。在发作曲折或许折叠时,很简略引起电极资料和集电极的别离,影响器材的电化学功能,乃至简略发作短路的风险,然后存在严峻的安全隐患。因而为了习惯下一代柔性电子设备的开展,柔性储能设备近年来已成为研讨的热门。

二氧化锰电极资料具有环境友好、地壳丰厚度高级特色,一同具有能量密度下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系高、充放电快等长处。但是,因为二氧化锰电极较低的导电性,其倍率功能和循环性遭到很大约束。为了处理这个问题,碳资料与二氧化锰结合构成导电率高、比外表积大的复合资料是一个研讨方向。碳资料供给下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系接连的导电网络,而且下降循环期间阻抗。

在以往的研讨中,二氧化锰/碳复合资料首要以粉末办法制备,这在必定程度上提高了活性资料的比电容,但一同也直接下降了器材的能量密度。因而,咱们在协作课题组(堪萨斯州立大学 Dong Lin 组)的研讨效果根底上,开发了一种锰氧化物/石墨烯气凝胶复合电极用作柔性超级电容器,而且引进3D打印技能作为一种新式制作手法。

B. 3D 打印技能

3D 打印,又称为增材制作技能,是可以将原资料直接经过层层叠加的办法打造为设计好的三维结构的一种新式技能。3D 打印技能运用于柔性电子的制作是伴随着纳米新资料的开发而逐步引起研讨人员重视的新范畴。传统的电子器材一般运用光刻蚀的办法进行,但是这并不可以满足于柔性电子器材的要求,3D 打印因为其在微米乃至纳米标准的准确操操控作而得到了柔性电子器材范畴研讨人员的广泛重视。这儿咱们的协作组将 3D 打印引进了石墨烯气凝胶的制备中,合成了可控形状,以及必定程度上可控电气和机械功能的石墨烯气凝胶。

B. 冲突纳米发电机以及柔性超级电容器一体化体系的建立

冲突纳米发电机由佐治亚理工学院王中林教授及其团队于 2012 年首先创造,其原理是运用冲突起电效应和静电感生效应的耦合把机械能有用地转换为电能。它的理论根底源自麦克斯韦位移电流第二分量,是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技能后在动力与传感方面的另一严重运用冲突纳米发电机的创造是机械能发电和自驱动体系范畴的一个里程碑式的发现,这为有用搜集机械能供给了一个全新的形式。

咱们经过 3D 打印技能,将冲突纳米发电机和氧化锰/石墨烯气凝胶柔性超级电容器一同拼装,制作出冲突纳米发电机和3D打印柔性超级电容器的集成体系并研讨了体系的电学功能及简略运用。

评论与展望

Graphical abstract the mixed-dimensional macroporous ultralight supercapacitor electrodes for self-powered ubiquitous nanosystems.

咱们的作业首先是建立在协作课题组(堪萨斯州立大学Dong Lin组)的一个关于3D打印的石墨烯气凝胶效果之上的

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201503524)。3D 打印石墨烯气凝胶这项技能运用低密度的稀释纯水性氧化石墨烯悬浮液为打印供给了较低的密度和较大的外表积。

然赶集兼职网后,咱们在这个作业的根底上,以 3D 打印的三维石墨烯气凝胶作为基底,经过操控反响的温度与时刻,以一步水热法在气凝胶外表取向成长了片状二氧化锰作为柔性超级电容器电极。经过调控不同成长时刻,对二氧化锰的结晶性及密度进行挑选,以到达功能的优化。

传统的二氧化锰/碳复合电极因为碳无法定型,机械强度太差以及工艺杂乱等问题,一般做成粉末状的资料,尽管提升了资料的电化学功能,却大大减少了复合资料的可运用范畴,而咱们开发的这种 3D 打印三维石墨烯气凝胶/二氧化锰复合电极可以在制备过程中完成形状操控,而且因为石墨烯气凝胶既作为二氧化锰基底,一同用作电极集流体,因而大大减轻了电极分量,进一步提升了电极的能量密度。

▲Figure 1. Synthesis and fabrication process of MnO2/GA electrode. (a) Scheme illustration of synthesis and fabrication process of MnO2/GA electrode (b) Optical image of MnO2/GA electrode standing on a dandelion without any defo下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系rmation of the stem and (c) SEM image of MnO2/GA electrode.

后续咱们对得到的二氧化锰/石墨烯气凝胶电极进行了一系列的物化性质以及电化学功能测验,详细成果可以拜见文章。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308316

▲Figure 4. Self-powered ubiquitous nano下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系system. (a) Optical images of integrated self-power system (b) D下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系ischarge curves of 3D printed MnO2/GA supercapacitor at discharge specific currents of 1A g-1, 2A g-1, 5A g-1 and 10A g-1, respectively (c) electric performance of the TENG device (d) Current sig下颚-3D打印的超轻超级电容器与冲突纳米发电机的一体化体系nal of CC-TENG device after rectification (e) power output of CC-TENG was characterized with different resistive loads (f) TENG charges the supercapacitor.

咱们这个作业别的一个亮点便是将冲突纳米发电机与柔性超级电容器集成在同一个衬底上。左边的冲突纳米发电机以铜箔作为集流体,壳聚糖-柠檬酸膜作为电极膜(这个作业也是连续了咱们课题组之前的研讨运用,详细可拜见https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201706267, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12008),右侧的超级电容器是经过3D打印氧化锰/石墨烯气凝胶复合电极作为电极,聚乙烯醇/氯化锂凝胶作为电解质与隔阂,将二者经过整流设备衔接,制满足一体化体系。

为了对一体化体系进行测验,咱们运用手指按压作为机械输入,该机械输入能量可由 TENG 模块收集,而且进一步用于对超级电容器充电。当 TENG 被人的手指按下时,3D 打印氧化锰/石墨烯气凝胶超级电容器在 60 秒内充电 1.0V,随后电压稳定在 0.8V,为其他电子设备的运转供给了牢靠的电源支撑。

总结与缺乏

咱们这个作业首要意图是测验性的运用 3D 打印技能将柔性储能技能集成于柔性器材中,以到达轻量化、小型化、低成本等要求。当然,在这个作业中咱们也存在一些没有战胜的缺乏。比方因为 3D 打印精度缺乏,无法支撑咱们将整流电路一同集成与整个器材,因而只能运用外接的办法,这也是咱们后续需求处理的方面,别的,在一体化的体系中,为了可以制成器材,因而拼装了全固态的柔性超级电容器,但是呈现了功能下降,稳定性缺乏的现象,这也需求咱们在后续的作业中改善。

心得与领会

这个作业是咱们课题组在柔性储能与柔性电子一体化体系想象中的一个开始测验。后续咱们还会有一系列关于这个想象的作业。欢迎重视普渡大学武文倬教授课题组的研讨进展。

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308316

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