西建大(云斯宁)/(张永伟)/西电(徐奇)/(刘金妹)/(秦勇)：实现能量捕获与储存的新一代集成器件最新研究进展

Alisa 5年前 (2019-04-22) 4262浏览

【背景介绍】

随着化石燃料的不断消耗，以及能源需求的日益增加，开发高效率的能量转化与存储器件，将环境中的绿色能源，如太阳能、风能、海洋能、生物质能等转化为更加容易利用的新型能源尤为重要。目前为止，大量的能源转化器件，如太阳能电池、压电纳米发电机、摩擦纳米发电机及燃料电池等，实现了环境中能量的捕获和转化。然而这些能量的利用却高度依赖于时间和环境，无法实现持续稳定的供给，不能很好地满足实际需求。

将能量捕获和储存器件集成，或将多种能量捕获及储存器件，可以实现环境中多种形式能量的同时捕获转化以及储存，形成自供电系统，从而增加器件对环境的适应性，满足能源的需求。近年来已开发出多种集成器件，如：（1）锂离子电池与超级电容器的集成器件；（2）锂离子与纳米发电机的集成器件；（3）燃料电池与纳米发电机的集成器件；（4）超级电容器和光电探测器的集成器件；（5）超级电容器与太阳能电池的集成器件；（6）超级电容器、光电探测器以及硅太阳能电池的集成器件；（7）锂离子电池和染料敏化太阳能电池的集成器件；（8）超级电容器、染料敏化太阳能电池与纳米发电机的集成器件等。这些集成器件实现了能量的捕获、转化和储存。

目前，科研人员已经对集成器件的开发进行了大量的研究。因此，对已有研究工作中各类集成器件的集成方式及工作原理，集成器件结构与性能之间的联系等进行系统的分类、归纳、总结，找出共性，对今后发展指明方向，同时对研究现状、发展趋势，面临的挑战及展望做出科学的评论，这对集成器件的开发意义重大。

【成果介绍】

近日，由西安建筑科技大学云斯宁教授牵头，博士生张永伟以及西安电子科技大学徐奇博士、刘金妹博士、秦勇教授共同参与，合作完成了题为“Recent advance in new-generation integrated devices for energy harvesting and storage”的评论文章，在纳米能源领域国际顶级期刊《Nano Energy》在线发表。基于现有的研究工作，论文全面总结了关于能量捕获、储存的集成器件最新研究现状、结合方式及工作原理；详细评估了器件结构与性能之间的联系；分析了集成器件未来的发展趋势；揭示了纳米材料和纳米技术对孤立及集成器件性能的促进作用，讨论和展望了成功实现市场化的机遇和挑战。

【图文导读】

图1. 基于能量收集和存储设备的集成器件

LIB：锂离子电池；NG：纳米发电机；SC：超级电容器；

BFC：生物燃料电池；PD：光电探测器。

图2. 锂离子电池和超级电容器集成器件（LIB&SC）

（a）基于稳定锂金属粉末（SLMP）负载硬质碳阳极的插层式电池和基于活性炭阴极的双电层电容组成的SC&LIB集成器件的示意图；

（b）基于B和N双掺杂3D碳纳米纤维的SC&LIB集成器件的电荷储存机理示意图；

（c）无粘合剂SC&LIB集成器件结构示意图；

（d）Li4Ti5O12纳米线阵列阳极的SEM图，插图是柔性LIB&SC集成器件的光学照片；

（e）不同材料体系能量密度和功率密度对比图。

图3. 锂离子电池和纳米发电机集成器件（LIB&NG）

（a）LIB&NG集成器件的示意图；

（b）置于鞋底的LIB&NG集成器件的光学照片；

（c）LIB&NG集成器件的横截面SEM图；

（d）二氧化钛纳米管阵列的侧视图及其顶部俯视图。

图4. 锂离子电池和摩擦纳米发电机集成器件（LIB&TENG）

（a）镍布基底、LiFePO4阴极和Li4Ti5O12阳极光学照片；

（b）弯曲阳极的光学照片；

（c）完全折叠后的阳极SEM图；

（d）装配有LIB腰带的光学照片；

（e）TENG的制作流程；

（f）LIB&NG集成器件的等效电路图和光学照片。

图5. 生物燃料电池和纳米发电机集成器件（BFC&NG）

（a）BFC、PENG和BFC&NG集成器件的开路电压；

（b）PEBFC&NG集成器件的电路图；

（c）PEBFC&NG集成器件的示意图；

（d）PEBFC&NG集成器件设计示意图。

图6. BFC&NG 集成器件

（a）BFC&NG集成器件的三维示意图。左上角的插入图是ZnO纳米线的SEM图。右下角的插图是集成器件的光学照片；

（b）纤维NG的工作原理图；

（c）纤维NG的I-V特性曲线。

图7. 光电探测器和生物燃料电池集成器件（PD&BFC）

（a）基于碳纤维和ZnO纳米线的BFC结构原理图；

（b）基于PD和BFC集成器件的电路图。EVS是外部电压源；蓝色是BFC。装置两端的二极管代表CdS和金属电极之间的局部肖特基接触；

（c）PD&BFC集成器件和BFC的开路电压（VOC，绿色）和短路电流（ISC，红色）；

（d）由BFC和PD组成的自供电PD&BFC集成器件示意图。其中，E代表电极，MFC为微生物燃料电池或BFC。

图8. 超级电容器和光电探测器集成器件（SC&PD）

 

（a）基于太阳能电池、SC和PD的集成器件的示意图；

（b）TiO2纳米线PD在暗态和光照条件下的电流-电压特征曲线；

（c）在0.305 V偏压下的光电流（Iph）曲线；

（d）瞬态电流响应特性曲线和相应的偏压变化曲线。

图9. 超级电容器（SC）和不同类型太阳能电池的集成器件示意图

DSSC：染料敏化太阳能电池；QDSC：量子点敏化太阳能电池；

PeSC：钙钛矿太阳能电池；PSC：聚合物/有机太阳能电池。

图10. SC&Solar cell 集成器件

（a）由FSC和FDSSC组成的SC&DSSC集成器件的示意图和光学照片；

（b）单基板的SC&PSC集成器件的结构示意图；

（c）QDSC的能带图；

（d）SC&QDSC集成器件的示意图；

（e）SC&PeSC集成器件的示意图及工作机理；

（f）c-Si太阳能电池的集成器件充电原理图；

（g）柔性集成器件示意图。

图11. 基于纤维衬底的NG&SC&DSSC集成器件

（a）石墨烯的SEM图；（b）石墨烯的拉曼光谱图；（c）ZnO纳米线阵列的SEM图。

图12. 锂离子电池和染料敏化太阳能电池集成器件（LIB&DSSC）

 

（a）基于TiO2纳米管阵列的LIB&DSSC集成器件的结构示意图及其工作原理图；

（b）基于柔性光纤的LIB&DSSC集成器件的结构示意图。

【总结与展望】

与孤立器件相比，自供电集成器件大大缩小了器件的尺寸和重量，弥补了孤立器件的众多不足，提高了器件的可靠性和稳定性。然而，自供电集成器件的研发正处于起步阶段，仍然面临许多挑战：如不能同时获得高的能量密度和高的功率密度；性能随使用时间的增加而下降；在非理想工作条件下不能实际应用；整体性能受限于孤立器件性能的制约；各个器件间关键参数的不匹配等。

为满足未来不同领域对于高效、持久、稳定、高质量集成器件的需求，需要从本质上认清这些器件之间的相互联系，从而优化其属性、结构，消除组成单元的不匹配性，使自供电集成器件的各组成元件间协调、高效地工作。论文提出的观点对能量收集、储存及自供电集成器件的快速发展具有重要的引领和指导作用，对集成器件的进一步研究与开发意义重大。

S.Yun*, Y. Zhang, Q. Xu, J. Liu, Y. Qin, Recent advance in new-generation integrated devices for energy harvesting and storage, Nano Energy, 2019,60,600-619.

期刊连接：https://www.journals.elsevier.com/nano-energy/

论文连接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302691

DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.074

本文由西安建筑科技大学云斯宁教授团队和西安电子科技大学秦勇教授供稿

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