王中林: 柔性摩擦纳米发电机与柔性电池集成构筑可穿戴的自充电电源组

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柔性电子器件，例如可穿戴器件、电子皮肤和智能传感器等，由于其独特的柔性以及高效、低成本制造工艺受到了各界的瞩目。为了实现全面的柔性，柔性的储能系统不可或缺。在各种储能装置中，锂离子电池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循环性是便携式电子产品的最佳选择之一。然而，传统LIB是刚性的，难以与柔性电子器件兼容。因此，应优化集电器、电解液和包装，以符合柔性器件的需求。最近，摩擦纳米发电机(TENGs)因其收集机械能并将其转化为电能而备受关注。TENG可以从日常人体运动中获取能量，为LIB等储能设备提供能量。研究人员已经将TENG与各种储能装置集成以形成自供电系统。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙春文研究员、西班牙马德里材料研究所José Antonio Alonso教授(共同通讯作者)等将柔性摩擦纳米发电机(TENG)与柔性电池集成构筑可穿戴的自充电电源组，并在Nano Energy上发表了题为“Structural and Electrochemical Properties of LiMn0.6Fe0.4PO4 as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究论文。作者首先通过中子粉末衍射(NPD)技术研究了Fe掺杂对LiMnPO4(LMP)结构的影响。所制备的LiMn0.6Fe0.4PO4/碳(LMFP/C)材料在1C的电流密度下显示出90 mAh·g-1的较高比容，是LiMnPO4/C的约5倍，其具有1000次循环以上的出色循环性能。电化学性能的改善应归因于(Mn,Fe)O6的较高八面体畸变以及LMFP中锂的各向异性椭球较少而易于Li扩散。之后，作者进一步组装了具有LMFP/C正极和原位聚合电解质的柔性LIB，其表现出优异的柔韧性和可循环性。弯曲300次后，电池没有明显的性能下降。最后，作者将柔性摩擦电纳米发电机(TENG)与柔性电池集成，形成可穿戴的自充电电源组。TENG可以收获机械能并将其转换成电能，为电池充电进而为柔性电致变色膜提供能量。通过每日人体运动，柔性LIB的开路电压(VOC)在约20 min内从3.32V增加到3.51V。

综上所述，作者利用NPD技术系统地研究了Fe掺杂对LMP晶体结构的影响。LiMn0.6Fe0.4PO4在1000次循环中表现出优异的循环性和良好的倍率性能，没有明显的性能下降。通过在PI基底上使MMA充分聚合，开发出具有宽电化学窗口的类固态电解质。此外，作者采用LiMn0.6Fe0.4PO4正极和PMMA-PI电解质制备柔性LIB，具有出色的柔韧性和循环性。电池可以在各种变形状态下良好地工作数百个循环。最后，作者将柔性TENG与柔性LIB集成在一起，展示了可穿戴式自充电电源组。TENG通过人体运动成功地为柔性LIB充电，证明了上述自供电系统为可穿戴电子器件供电的可行性。

文献链接：Structural and Electrochemical Properties of LiMn0.6Fe0.4PO4 as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.08.007)