《科学通报》
开博时间：2019-09-06 16:50:00《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。
告别充电器:一种可以随身携带的能量源
2020-11-18 14:02:00“天地与我同根, 万物与我一体”(《碧岩录》),正所谓世间所象, 共为一体。人类社会正在朝着万物互联的方向蓬勃发展。例如当今快速崛起的人工智能技术和柔性电子技术正是这一代表, 新技术将人与人、人与物、物与物的距离拉近, 信息共享, 实时传输——世界开始变得越来越是一个整体。而其中, 作为物联网技术的核心, 便携式和集成式的自供电能源技术是人们关注的焦点。
什么是自供电能源技术? 自供电能源技术是一种新兴和具有广泛应用前景的能源技术。无须充电, 靠自身从外界获取能量并及时存储起来, 可以说是一个随时随地产生能量的源泉。但是, 就目前而言, 现有的自供电能源体系大多器件设计冗杂, 笨重有余, 不能满足万物互联的时代发展要求。基于此, 本研究团队借助打印技术实现将微型的镁离子基超级电容器和柔性的硅基太阳能电池的有效集成, 设计了高柔性和可穿戴的太阳能自供电单元,相关的研究成果发表在 Nature Communications。
众里寻他千百度——镁离子
超级电容器通常具有高功率密度和长循环稳定性, 是自供电能源系统储能部件的不二选择。一方面, 高的功率密度很适合承担太阳能电池大的输出电流; 另一方面, 良好的循环稳定性也适合提高自供电能量系统的使用寿命。但是, 较低的能量密度限制了其续航能力, 成为应用的最大瓶颈。
那么, 如何有效地提高能量密度呢? 大量的工作聚焦于设计更为高效的电极材料(大的比表面积, 丰富的层级结构)。本团队另辟蹊径, 筛选合适的中性电解液体系, 发现在硫酸镁的电解液体系中, 氮化钒材料具有最高的比电容(240 F/g), 是在其他中性盐溶液中的 2 倍多(硫酸锂、硫酸钾、硫酸钠)。同时, 在硫酸镁电解液中观察到较大的析氢过电势, 更高的析氢过电势带来了更宽的电压窗口, 从而实现更高的能量密度。此外, 中性水系电解液的高安全性亦成为可穿戴储能体系的上乘之选。
镁离子电解液中较高的比电容可以归因于两个方面: (1) 镁离子电解液是两电子基的法拉第反应途径; (2) 镁离子在氮化钒材料中表现为更抑制的析氢反应动力学。对于反应机理的探究, 本研究组通过原位 X 射线衍射(XRD)技术和间位 X 射线光电子能谱分析(XPS)技术, 观测了镁离子的电化学行为, 发现在氮化钒材料中, 镁离子表现为赝电容的嵌入和脱出行为, 嵌入的过程中伴随着钒价态的变化。
通过选取正极材料二氧化锰、负极材料氮化钒、硫酸镁电解液和聚丙烯酰胺的凝胶电解质来组装非对称超级电容器, 实现了 2.2 V 的宽电压窗口和 13.1 mWh/cm3 的高能量密度。
好马还需配好鞍——打印技术
虽然基于镁离子基的准固态超级电容器实现了高的能量密度和宽的电压窗口, 但是运用到便携式和集成式的自供电能源系统领域却仍然存在很大的问题, 如缺乏集成度, 即刚性的结构很难实现多个功能模块之间的相互功能匹配。
正所谓好马还需配好鞍, 先进的功能化系统离不开先进的器件制备技术。在微型器件制备方面, 打印技术成为制备集成化系统的利器。打印技术可以高效实现微型储能器件的构筑, 形状可控, 并且还具有高柔性、高兼容性的优势。本团队利用丝网印刷技术, 制备了高柔性的微型超级电容器, 面积比能量达到 19.13 μWh/cm2 。正是因为打印技术的使用, 微型超级电容器和太阳能电池的集成变得可行: 选用柔性的非晶硅薄膜太阳能电池作为能量转换部件,得以构筑全柔性的太阳能自供电单元。
对于自供电系统来说, 整体的能量转化效率是一个非常重要的评价指标。影响它的因素是多方面的, 包括太阳能电池的光电转化效率、储能器件的能量存储效率、输出电压的适配性、输出电流的大小等。本研究中, 2.2 V 的电容器输出电压与柔性太阳能电池 2.5 V 的输出电压匹配良好, 同时该超级电容器的储能效率高达 80%。这些因素决定了全柔性自供电体系的高的光电转化效率(5.2%, 高于其他柔性系统)。同时, 自供电体系的循环性能也因为超级电容器高的机械/电化学稳定性而得到提升: 光充电/放电 100 圈循环后, 容量保持率为 98.7%, 领先于绝大多数报道的柔性自供电系统。
结语
综上, 本研究基于微型超级电容器和柔性太阳能电池的打印集成设计, 成功实现了高柔性、高便携度、高安全、高集成化的自供电能量单元。此外, 本研究对多价离子中性电解质(例如镁离子)的优选, 以及对电化学储能机制的阐述(赝电容嵌入机理), 相信也会带来一定的思考。便携式和集成式的自供电能源技术, 是真正可以做到让我们摆脱充电器——成为随身携带, 随时使用的能量源泉; 也推动了万物互联、信息交汇、人机一体化的发展与进步。
作者：田政南, 邵元龙, 孙靖宇
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