Nano Energy : 柔性钙钛矿太阳能电池驱动的可光充电锂离子电容器及其在自供电可穿戴应变传感器中的应用

【引言】

随着物联网时代的到来，可穿戴电子产品作为人机交互的平台具有广阔的应用前景，而其多样化功能的实现很大程度上依赖于其电源系统的可靠运行，该电源系统应具有柔性、轻质、高稳定性、高安全性及高容量等特性。目前已有报道将先进的光伏器件(如钙钛矿太阳能电池(PSC))与储能器件(包括锂离子电池（LIB）和超级电容器(SC))进行集成，实现了太阳能的收集和存储一体化。对于集成体系，光电转化及存储的总效率和器件柔性相关的性能指标对于柔性可穿戴设备的实际应用至关重要。此外，对于不同的应用场景，可穿戴设备对于储能器件的能量/功率密度有着截然不同的要求。因此，将可以实现高能量密度和高功率密度的新兴储能器件结合到集成系统中具有现实意义。锂离子电容器(LIC)集LIB的高能量密度、SC的高功率密度及长循环寿命等优点于一体，是储能体系的一个重要研究方向。迄今为止，用于自供电可穿戴电子器件的柔性便携式PSC-LIC能量集成系统的研究尚处于起步阶段。

【成果简介】

近日，苏州大学邹贵付教授、孙靖宇教授和北京大学刘忠范院士(共同通讯作者)团队合作报道了一种柔性钙钛矿太阳能电池(PSC)驱动的可光充电锂离子电容器(LIC)，该体系将能量收集和存储功能一体化，并与可穿戴应变传感器整合，实现了可穿戴自供电能源系统。该柔性PSC-LIC体系在放电电流密度为0.1 A·g^-1时可提供8.41 %的光电转化存储总效率以及3 V的高输出电压。即使在1 A·g^-1的高电流密度下，仍然可以获得超过6 %的光电转化存储总效率，超过了大部分已报道的光充电源体系。将得到的PSC-LIC能量体系用于自供电可穿戴应变传感器，实现了在没有任何外部电源连接的情况下对生理信号数据连续、精确的记录，从而实现能量收集、存储和利用一体化的多功能智能系统。这一多功能集成平台为自供电可穿戴电子产品的发展提供了重要的参考。相关成果以“Flexible perovskite solar cell-driven photo-rechargeable lithium-ion capacitor for self-powered wearable strain sensors”为题发表在Nano Energy上，论文的共同第一作者为李超博士、丛姗博士和硕士研究生田政南，合作者包括苏州大学能源学院的Mark Rümmeli教授、英国剑桥大学的邵元龙博士，德国明斯特大学的李劼博士以及澳大利亚伍伦贡大学的窦世学院士等。

【图文简介】
图1 柔性PSC-LIC-Sensor集成系统

柔性PSC-LIC-Sensor集成系统的示意图。

图2 柔性钙钛矿太阳能电池构建及柔性状态性能表征

a) 柔性PSC结构的示意图；
b) 柔性PSC器件横截面组分的SEM图像；
c) 柔性PSC器件直接穿戴在活甲虫上的数码照片，显示其可穿戴性，插图为PSC的IPCE光谱；
d) 单一柔性PSC和四个串联柔性PSC的J-V曲线及效率；
e) 柔性PSC器件的开路电压VOC和短路电流JSC随弯曲循环次数的变化，插图为柔性PSC在不同弯曲和折叠条件下的照片；
f) 柔性PSC器件在柔性弯折测试500次的J-V曲线变化。

图3 LTO/rGO负极的材料表征以及相应LIC器件的电化学测试

a) 所制备的LTO/rGO复合材料的SEM图像；
b) 所制备的LTO/rGO复合材料的STEM图像以及相应的元素分布；
c) 所制备的LTO/rGO复合材料的HRTEM图像；
d) 扫速为1-50 mV·s^-1，采用LTO/rGO负极和AC正极的LIC器件的CV曲线；
e) LIC器件在不同电流密度下的恒电流充-放电曲线；
f) LIC器件的EIS频谱；
g) 1 A·g^-1下LIC的长循环性能，插图照片为可穿戴LIC为手表供电。

图4 柔性LIC器件在弯折测试下的性能

a) 柔性LIC器件的示意图；
b) LIC器件在0.05-5 A·g-1电流密度下的倍率容量；
c) 弯折试验中柔性LIC器件的恒电流充-放电曲线；
d) 柔性LIC在不同弯曲状态下的循环性能，插图为器件平放和弯曲状态的照片； e-g) 柔性LIC器件在不同弯折条件下为LED指示灯供电的照片。

图5 柔性PSC-LIC集成模块性能及自供电可穿戴传感器实现生理信号记录

a) 柔性PSC-LIC集成模块的照片，弯曲状态显示出器件良好的柔性；
b) 直接附在衣服上的PSC-LIC模块的照片；
c) PSC-LIC集成模块的电压-时间曲线(红色和黑色曲线：红色为使用PSC进行光照充电，黑色以0.1 A·g-1进行恒电流放电)；
d) PSC-LIC模块的电压-时间曲线(以PSC进行光照充电，以不同电流密度进行恒电流放电)；
e) PSC-LIC器件的总效率和LIC的储能效率随循环次数的变化；
f) 目前已报道光充储能器件性能(总效率和输出电压)的比较；
g) 利用太阳能的自供电可穿戴传感器(PSC-LIC-Sensor集成系统)的示意图；
h) 以PSC-LIC集成器件为电源的自供电传感器记录脉搏 (上面板)和手指运动(下面板)的信号。

【小结】

综上所述，本文以柔性电子设备的电源系统要求为出发点，构筑了PSC-LIC集成系统，实现了能量收集和存储的双重功能一体化，光电转化储能总效率超过目前大部分已有的光充储能体系，同时具有柔性和便携性的优势。在弯折测试中表现出较好的稳定性，并应用于可穿戴功能电子器件的能源体系。相应的自供电可穿戴应变传感器可连续、精确记录生理信号数据，而无需任何外部电源连接。PSC-LIC-Sensor体系的开发实现了在一个智能系统内能量收集、存储和利用的协同，为构建用于真实场景的自供电可穿戴电子设备提供了可能的解决方案。在该工作中提出的概念有望实际应用于电动汽车和电网存储等大规模应用。

文献链接：Flexible perovskite solar cell-driven photo-rechargeable lithium-ion capacitor for self-powered wearable strain sensors (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.061)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理，感谢论文通讯作者孙靖宇教授对稿件的修正。

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