中美科學家攻克柔性電子充電,實現石墨烯力學傳感器自充電

2020-12-07 RFID世界網

近日，美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系程寰宇助理教授，與福建閩江學院王軍教授以及南京大學唐少龍教授等合作，實現了褶皺石墨烯力學傳感器的自供能設計，研究論文以《用於自供電可拉伸系統的高能全合一可拉伸微超級電容器陣列和基於三維雷射誘導石墨烯泡沫裝飾介孔ZnP納米片》(High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene foams decorated with mesoporous ZnP nanosheets for self-powered stretchable systems)為題發表於國際能源頂級刊物 Nano Energy。

DeepTech 聯繫到程寰宇，他表示這是一次中美科學家合作的成果。其中，閩江學院張誠博士為論文第一作者，程寰宇教授和王軍教授為論文共同通訊作者，該研究受到國家自然科學基金、福建省教育廳中青年教育科研項目以及南京大學固體微結構物理國家重點實驗室平臺的支持。



圖 | 研究成果發表於 Nano Energy

自供能電子器件具有重大科學意義

研究痛點主要是，當前柔性電池、可穿戴設備等柔性電子器件憑藉質量輕、易結合皮膚、能承受力學變形等優勢，逐漸在器件製備中嶄露頭角。然而，目前所採用的傳感器，普遍需要使用外部供能。此外，常見電池或超級電容器的能量密度低、拉伸能力也有限，這意味著它們無法很好地給柔性電子器件供電。

那麼，有沒有其他供電方式?程寰宇告訴 DeepTech，該研究團隊考慮到，人體在熱量散發、關鍵旋轉、體重做功、中心垂直位移、組織和其它附屬臟器的彈性形變過程中，可以產生電能，這就給柔性電子器件的供能提供了上好機會。因此，設計可穿戴的自供能電子器件有望實現這些設備自身的永久供能，具有重大科學意義和應用前景。

為此，研究團隊考慮通過設計柔性可延展納米發電機將人體機械能傳化為電能，並將其存儲於柔性可延展微型超級電容器陣列，從而實現基於褶皺石墨烯的力學傳感器的自供能。



圖 | 柔性可穿戴傳感器設計圖

具體研究過程中，研究人員通過低成本的雷射照射和簡單的噴塗塗層方法，製備出基於雷射還原石墨烯泡沫和 ZnP(磷化鋅)超薄多孔納米片的複合結構(ZnP@LIG)電極材料。複合結構電極材料的厚度和圖案，可分別通過雷射功率和電腦進行調控，該策略為定製各種形貌和結構的功能電極提供了新方向。



圖 | 一種多功能可拉伸微型超級電容器陣列(MSCAs)的合成過程和光學圖像

據程寰宇介紹，三維多孔互聯的 LIG (光還原石墨烯) 骨架能夠大幅縮短載流子(離子和電子)輸運路徑，超薄多孔的磷化鋅納米片為贗電容反應，則可提供豐富的電化學活性位點，通過協同利用碳材料的雙電層電容和過渡金屬化合物的贗電容儲能機理，再基於 ZnP@LIG 複合結構電極，就有希望獲得高能量密度、高功率密度的平面微型超級電容器。



圖 | ZnP@LIG 複合結構材料的形貌和結構表徵

他還表示，DFT (密度泛函理論計算) 第一性原理計算和紫外光譜測試表明，鋅基納米片磷化處理大幅降低了其能隙寬度，說明磷化鋅相對於 ZnO 納米片具有更加優異的導電性能。

此外，DFT 計算還表明電解質離子(Na+,K+)在磷化鋅納米片表面的吸附能力，遠大於 ZnO 納米片的吸附能，這說明磷化鋅納米片表面可存儲更多電解質離子。因此，相比 ZnO 納米片來說，磷化鋅不僅可存儲更多的載流子，且更有利於載流子的快速輸運。



圖 | 平面微型超級電容器陣列串聯 / 並聯的結構圖、電學示意圖、電容性能及在拉伸過程中的電學輸出性能

談及 ZnP@LIG 混合電極的優越電化學性能，程寰宇舉了一組數據：ZnP@LIG 混合電極在 1 A g-1 時容量為 1425 F g-1，在 30 A g-1 時容量為 926 F g-1，在 Na2SO4 水溶液電解液中 5000 次循環後容量保持為 68.5%。相比同類混合電極，性能較為出色。

此外，將島橋布局的平面 MSCAs 以串行 / 並行方式連接，可形成具有優越能量密度和定製電壓 / 電流的多功能可伸縮能源輸出，並表現出穩定的對抗彎曲和拉伸變形，其中，拉伸變形高達 100%。故此，島橋構型的平面微型超級電容器陣列的設計思路，為構建高性能柔性可延展電源奠定了結構基礎。



圖 | 利用柔性可延展納米發電機收集能量、柔性可延展微型超級電容器陣列存儲能量的褶皺石墨烯力學傳感器自供能示意圖及機電性能圖

程寰宇告訴 DeepTech，可伸縮 MSCAs (平面微型超級電容器陣列) 已與基於褶皺石墨烯的可伸縮應變傳感器集成在一起，集成後的傳感器表現出優異的傳感係數。這種 MSCAs 陣列還能為設計柔性傳感器提供研究平臺，有望與溫度傳感器、血氧傳感器、血糖傳感器、心率傳感器等電子器件構建綜合傳感系統，從而為構築自供能、柔性可延展傳感系統提供新型設計思路。

研究成果創新之處

程寰宇表示，本次研究主要有三大優勢。

第一，材料方面，獨特的非層狀二維納米材料磷化鋅(Zn3P2)相比普通的二維層狀材料，在同樣具備高比表面積的情況下，不會因為範德華力(van der Waals force，分子間作用力)而使納米材料層層堆積一起，從而有效保持納米材料的高比表面積。同時，非層狀二維納米材料還可通過調節自身帶寬 / 導電性、和材料上的缺陷特性等來進一步提升能量密度和器件性能。

第二，在非層狀二維納米材料磷化鋅材料的基礎上，通過低成本的雷射照射掃描，可把商用聚醯亞胺或其他聚合物轉變成雷射誘導石墨烯多孔泡沫結構。這種多孔材料結構其一可以有效提高電極材料磷化鋅的裝載而提升能量密度，另一方面能夠提升電子輸運和保持高效的離子導電特性。此外，親水的磷化鋅納米片在多孔泡沫上還可增加電解液親潤性，從而幫助離子快速進入，並使基於碳材料的石墨多孔泡沫通過產生電容來縮短電子離子的輸運距離。這些協同作用，均體現出 ZnP@LIG 電極優異的電化學性能。

第三，和三明治結構的傳統電容器相比，具有平面結構設計的超級電容器的厚度極大地降低，使其具備很好的彎曲特性，在比較大的彎曲變形過程中而不被破壞。此外，平面結構也能降低離子擴散距離，進而提高超級電容器的性能。而獨特的島橋結構讓它具備可拉伸的功能。具體來說，就好比彈簧被拉開了一樣，裡面的材料本身沒有被拉長，只是結構被展開。因而，超級電容器具備了可拉伸的性能，島橋結構通過串並聯連接同時也可以調節超級電容器的電壓和電流輸出以滿足特定的需求。

程寰宇表示，島橋結構的設計以後可以做更大、更多的陣列。對大型交通工具比如車、船、電動車等，這種設計能提高它們電流電壓輸出的能力。在超級電容器方面，現在使用的是摩擦電，未來也可使用壓電、熱電、柔性太陽能電池板等其他形式。在傳感器方面，該團隊現在驅動的應變傳感器，將來也可用於驅動心電傳感器、溫度傳感器、電化學傳感器等，其中電化學傳感器可以分析生物溶液(比如汗液 / 唾液 / 淚液 / 血液 / 尿液等)。

他還表示，開發基於單一多功能材料的所有組件的自供電系統，儘管還有很長的路要走。但是經過改進後，電子材料和器件結構的耦合設計原理，已被證明可為未來高性能可伸縮、或可穿戴系統發展的強大工具支撐。

在應用方面，據程寰宇介紹，一直和該團隊合作的 Actuated Medical, Inc. 公司，有望繼續就該成果進行合作。他表示：「我們和這家公司有多項合作項目，都是關於低成本柔性傳感器，特別是圍繞雷射誘導石墨烯泡沫。」

1

相關焦點

  • 攻克柔性電子充電,實現石墨烯力學傳感器自充電
    攻克柔性電子充電難，實現石墨烯力學傳感器自充電近日，美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系程寰宇助理教授，與福建閩江學院王軍教授以及南京大學唐少龍教授等合作，實現了褶皺石墨烯力學傳感器的自供能設計，研究論文以《用於自供電可拉伸系統的高能全合一可拉伸微超級電容器陣列和基於三維雷射誘導石墨烯泡沫裝飾介孔ZnP納米片》（High-energy all-in-one
  • ...個高性能可拉伸自供能系統誕生:攻克柔性電子充電難,實現石墨烯...
    雲財經訊，近日，美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系程寰宇助理教授，與福建閩江學院王軍教授以及南京大學唐少龍教授等合作，實現了褶皺石墨烯力學傳感器的自供能設計，研究論文以《用於自供電可拉伸系統的高能全合一可拉伸微超級電容器陣列和基於三維雷射誘導
  • 全球首個高性能可拉伸自供能系統誕生電
    ，與福建閩江學院王軍教授以及南京大學唐少龍教授等合作，實現了褶皺石墨烯力學傳感器的自供能設計，研究論文以《用於自供電可拉伸系統的高能全合一可拉伸微超級電容器陣列和基於三維雷射誘導石墨烯泡沫裝飾介孔ZnP納米片》（High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene
  • 中美科學家聯合研究、 全球首個高性能可拉伸自供能系統誕生
    近日，美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系程寰宇助理教授，與福建閩江學院王軍教授以及南京大學唐少龍教授等合作，實現了褶皺石墨烯力學傳感器的自供能設計，研究論文以《用於自供電可拉伸系統的高能全合一可拉伸微超級電容器陣列和基於三維雷射誘導石墨烯泡沫裝飾介孔ZnP納米片》（High-energy
  • 中美研究人員研發新型超級電容器 功率高/充電速度快
    蓋世汽車訊 據外媒報導，美國賓夕法尼亞州立大學（Penn State）以及中國兩家大學（閩江學院和貴州教育學院）的研究人員表示，基於氧化錳研發出一種新型超級電容器，能夠將電池的存儲容量與其他超級電容器的高功率和快速充電特點相結合。
  • 充電十分鐘續航1000裡?石墨烯或是「大忽悠」
    石墨烯被稱為「黑金」、「新材料之王」，甚至被譽為「徹底改變21世紀的黑科技」，圍繞著石墨烯的研究一直在進行著，尤其是在能源電池方面的研究。尤其是對智慧型手機續航以及新能源電動汽車的興起，更是加快了石墨烯在該方面的應用。　　近期有「充電10分鐘，續航1000裡的石墨烯電池來襲」等等消息出現，又燃起了人們的希望。
  • 充電速度堪比加油!廣汽石墨烯電池年底「上車」
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】北極星儲能網訊:石墨烯電池要想真正實現量產，還要克服成本、技術等困難。電池技術總是在不斷在向前發展，繼比亞迪的刀片電池之後，廣汽集團帶來了石墨烯電池。難道電動車充電速度堪比加油的目標就要實現了？
  • 柔性器件-基於雷射刻蝕石墨烯的柔性霍爾傳感器
    然而，與常規材料相比，石墨烯的成本意味著其在電子製造中的吸收緩慢。阿卜杜拉國王科技大學Jurgen Kosel課題組報導使用了一步雷射刻蝕工藝製備的石墨烯，並用於霍爾傳感器。其對磁場的具有線性響應，歸一化的靈敏度為〜1.12 V / AT。
  • 【行業動態】「未來材料」石墨烯
    石墨烯最早出現於2004年，在英國曼徹斯特大學的一所實驗室裡，兩位科學家成功用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯，可見其剝離之難。石墨烯市場我國石墨烯產業呈現出快速發展的態勢，據統計，2018年我國石墨烯產業市場規模已經達到100億元，較2015年的6億元實現年均增長超過100%，預計到 2020 年末，全球和國內石墨烯行業市場規模分別為 95 億美元和 200 億元，中國石墨烯市場規模約佔全球石墨烯總市場規模的 30%，並有逐年提高的趨勢。
  • 充電10分鐘續航1000公裡?石墨烯"快充快放"早著呢
    尤其是對智慧型手機續航以及新能源電動汽車的興起，更是加快了石墨烯在該方面的應用。近期有「充電10分鐘，續航1000公裡的石墨烯電池來襲」等等消息出現，又燃起了人們的希望。但在第二屆國際碳材料大會上，石墨烯的專家們卻道出了實情：片面的強調快充快放只是個學術說法而已，離真正應用還遙遠的很。石墨烯在電池上會有所貢獻，但所謂的可以產生顛覆性改變還未看出來。
  • 新石墨烯鋰離子電池:有望實現循環壽命、充電時間和能量密度
    打開APP 新石墨烯鋰離子電池：有望實現循環壽命、充電時間和能量密度 微鋰電 發表於 2020-11-20 16:43:52
  • 中美華人在世界上首次實現可充電鋁離子液體電池—新聞—科學網
    魯兵安演示可快速充電、柔性、離子液體、二次鋁電池。a）三維石墨；b）全電池的充放電曲線；c）電池的循環穩定性表徵，循環7500次以後電池容量無衰減；d）電池的快速充電與慢速放電 倫敦時間4月6日，《自然》雜誌在線發表了由中美兩國華人科學家共同完成的一項突破進展《快速充放電鋁離子電池》。《自然》評論認為，該研究成果在世界上首次實現了可充電鋁離子液體電池。
  • 力學所提出基於可拉伸柔性結構的電動汽車無線充電方案
    在電動汽車面臨的諸多技術挑戰中，無線充電技術因其便利、防水、防塵等優勢，受到越來越多的關注。目前研發的汽車無線充電接收裝置安裝於汽車底部，地面供電裝置通過電磁感應提供電能，但是由於車輛底盤與地面供電裝置豎直方向距離較大、水平位置不易對準等因素，導致現有的充電效率較低；無法兼顧多種車型，導致難以大規模應用。
  • 劉忠範院士團隊：高安全、全柔性石墨烯改性鋰離子電池
    鋰離子電池（簡稱LIB）是一種可充電電池，最早由埃克森美孚(Exxon)的化學家斯坦利•惠廷漢姆(M Stanley Whittingham)於20世紀70年代提出。鋰離子電池通常用於可攜式電子設備和電動汽車，並且在軍事和航空航天應用中日益流行。
  • 詳細講解柔性電子傳感器和構造
    針對特殊環境與特殊信號下氣體 、壓力 、溼 度的測量需求，對普通傳感器提出了新的挑戰  面對越來越多的特殊信號和特殊環境，新型傳感器技術已向以下趨勢發展：開發新材料 、新工藝和開發新型傳感器；實現傳感器的集成化和智能化；實現傳感技術硬體系統與元器件的微小型化；與其它學科的交叉整合的傳感器。
  • 電子皮膚能量存儲的訣竅：石墨烯超級電容器的多孔多層噴塗技術
    為了通常在單個平臺上實現這種獨特的技術，採用具有足夠效率的高度柔性且可嵌入的能量存儲設備作為電源至關重要。本文引入了一種通用且可擴展的方法來製造平面和對稱的微型超級電容器，該電容器可以安裝在任何複雜的表面上。
  • 石墨烯電池出現了,充電只需幾秒鐘
    在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，它的電子能量不會被損耗，這樣的特性會使電動自行車電池的充電時間大大的縮短並且會使其性能更加優異，加上電動自行車本來就就是很方便而且節能環保的優質工具會得到更多人們的青睞。由此看來，以新材料石墨烯為電極的新型大容量快速充電電池有望填補市場空白。
  • 性能相當於充電寶?世界首款石墨烯基鋰離子電池「烯王」遭質疑 科通社
    東旭光電方面稱，通過測試，「烯王」充電用時15分鐘，其充電效率是普通充電產品的24倍，可在-30℃—80℃環境下工作，循環壽命高達3500次左右。「『烯王』的落地開啟了石墨烯在能源領域的應用時代。」東旭光電投資負責人、上海碳源匯谷董事長王忠輝表示：「該石墨烯技術是石墨烯在鋰電池應用史上的一次革命性突破，是石墨烯業界翹首以盼的真正的殺手級應用。」
  • 石墨烯電瓶充電幾小時_石墨烯電池商用要多久
    石墨烯電瓶充電幾小時 　　石墨烯電瓶第一次用沒電，充滿電即可，不需要長時間充電。 　　石墨烯被一些相關的科學家還有媒體們譽為「新時代的材料之王」，他是我們現在人類所知道強度最高、韌性最好、並且還有質量輕、導電性優良的特點。早在幾年前，華為就宣布了他的一項快充的技術，將3000毫安時的石墨烯電池進行充電僅僅只需要五分鐘就可以充滿接近一半的電量。
  • 8分鐘充電80% 廣汽石墨烯超級電池是「黑科技」還是「噱頭」?
    讓充電和加油一樣便捷據廣汽埃安官方表示，該電池可實現8分鐘充滿80%，讓充電和加油一樣便捷。矽負極電池讓車輛續航裡程達到1000公裡。該電池還經過了史上最嚴苛的安全測試電池槍擊實驗，獲得軍工標準專屬電池安全認證。隨著新能源汽車的發展，電池技術也成為行業熱點。其實早在2014年，廣汽集團就開始著手石墨烯技術研發。