《Nano Energy》智能物联网用无摩擦驱动整流自充电超级电容器

科技 08-20 来源：高分子能源

强调

TENG 产生的能量存储在超级电容器中，无需任何电源管理或整流电路。
自充电超级电容器电池 (SPC) 将 TENG 和 SPC 结合在一个设备中，其中 TENG 产生 2.5 mW 的功率，可在 9秒内将 SPC 充电至 210 mV 。
由于 SPC 电极 - 钴纳米多孔碳/激光诱导石墨烯 (Co-NPC/LIG) 的大表面积，实现了更高的电化学性能。
这项工作为通过摩擦电化学机制理解自充电超级电容器中的能量转换过程提供了重要的见解。
由于在单个集成设备中转换和存储能量的潜力，在没有外部复杂电路的情况下将能量收集器和能量存储组合在一个单元中引起了极大的兴趣。本文提出了一种自充电超级电容器电池 (SPC)，其中摩擦纳米发电机 (TENG) 产生的能量通过“摩擦电化学机制”存储在没有电源管理或整流电路的超级电容器中。SPC 包含作为聚合物隔膜的聚（偏二氟乙烯-co-六氟丙烯）P(vdf-HFP)，浸渍有离子液体电解质，以及金属有机框架衍生的钴纳米多孔碳/激光诱导石墨烯/铜（Co-NPC/ LIG/Cu) 电极。由于 SPC 电极的大表面积，面积电容为 25.60 mF cm-2，实现了0.0278 mW.h cm-2的能量密度和0.089 mW/cm-2的功率密度。此外，自充电 SPC 将 TENG 和 SPC 组合成一个集成器件，TENG 产生 2.5 mW 的功率。最后，利用来自SPC设备的动静态信号来控制T-REX在游戏界面中的“跳跃”和“躲避”动作，并利用不同的SPC充电水平作为智能开关来开启智能家居电器。因此，这项研究揭示了通过 TENG 在没有任何外部电路的情况下为超级电容器充电的潜力，并为理解自充电超级电容器的能量转换过程提供了重要的见解。

图文简介

自充电 SPC 的设计理念和示意图。(a) 显示金属有机框架 (MOF) 衍生的钴基纳米多孔碳/激光诱导石墨烯/铜 (Co-NPC/LIG/Cu) 基 SPC 电极的制造示意图。(b) 自充电 SPC 的逐层结构示意图。(c) 展示用于智能物联网 (IoT) 应用的制造设备的示意图。

SPC 的物理特性。(ad) 尼龙 6/6 纳米纤维、沸石咪唑酯骨架 67 (ZIF-67)、钴纳米多孔碳 (Co-NPC) 和 Co-NPC/LIG 的场发射扫描电子光谱 (FESEM) 图像。(e)-(f) ZIF-67 和 Co-NPC 的能量色散光谱 (EDS) 分析显示 Co-NPC 中的碳含量增加。(g) ZIF-67 和 Co-NPC 的 X 射线光电子能谱 (XPS) 测量光谱。(h) ZIF-67 和 Co-NPC 的傅里叶变换红外光谱 (FTIR)。(i) LIG 和 Co-NPC/LIG 的拉曼光谱表明 I D /I G的值较低。(j) 显示离子液体 (1-乙基-3-甲基咪唑 [EMIM] 双(三氟甲基磺酰基) 亚胺 [TFSI]) 和 P(vdf-HFP) 化学组成的示意图。

SPC的电化学分析。(a) SPC 逐层结构示意图。(b) SPC 的循环伏安法 (CV) 扫描，扫描速率范围为 10 至 1000 mV s -1。 (c) SPC在0.2~1 mA cm -2不同电流值下的恒电流充放电曲线。(d) 从 GCD 曲线得出的 SPC 的面积电容。(e) SPC 的电化学阻抗谱 (EIS) 分析，插图代表高频区域的放大部分。(f) Ragone 图中的能量密度和功率密度之间的关系。

TENG的电气特性。(a) TENG 的示意图，显示正负摩擦电层。(b) 制造的 TENG 的照片。(c) 开路电压 (d) 短路电流和 (e) TENG 在不同压缩力下的充电。(f) TENG 的负载电压和峰值功率。

SPC的工作原理和自充电特性。(a) 自充电 SPC 的工作原理。(b)-(d) SPC 在 10、20 和 30 N 的各种施加力下的自充电特性。(e) 电压波形显示电压随着施加力的增加而增加。(f) SPC在重复充放电循环下的自充电特性。

用于智能物联网应用的自充电 SPC 演示。(a) 在智能手机上演示 T-REX 游戏的系统架构。(b) 实验装置的照片。(c) 来自 SPC 的动态信号。(d) 来自 SPC 的静态信号。(e) 照片显示动态压力下的“跳跃”动作。(f) 静态压力下“鸭子”动作的照片。(g) 如果两项操作均未完成，则“游戏结束”。