可穿戴光充自供电系统的设计与开发

作     者：田政南 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙靖宇

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：可穿戴 光充自供电 超级电容器 混合电容器 碱性锌离子电池 

摘      要：可穿戴光充自供电系统是一门结合多方向多领域的前沿科学研究体系。它结合了能源转化技术、能源储存技术、可穿戴柔性电子学和生物智能传感等新兴技术,在人机互动、VR眼镜、智能显示、生命体征监测等方向具有十分广泛的应用前景。但是目前的发展瓶颈主要是整体能量转化效率低、能量转化系统和能量存储系统之间兼容性差以及可穿戴场景下耐用性有限等问题。基于这些问题,本文从两个方面来合理设计可穿戴的光充自供电系统。（1）高光电转化效率的太阳能电池系统选择以及高储能效率的储能系统构建,通过两个高效系统的相互协同作用达到更高的整体能量转换效率;（2）利用多种柔性电子器件的制备技术（打印技术、柔性封装技术和激光切割技术）,赋予储能器件与太阳能电池良好的兼容性,实现可穿戴光充自供电系统面向轻质化、便携化和微型化的方向发展。本文的主要研究内容如下:（1）利用钛酸锂作为负极,商业活性炭作为正极,组装了锂离子混合电容器。在此基础上,进一步采用软包电池技术,制备了柔性的锂离子混合电容器,实现了最高60 Whkg-1的能量密度。把该柔性锂离子混合电容器作为储能系统与柔性的钙钛矿太阳能电池集成,实现了一体化可穿戴光充自供电系统的构筑,达到了最高8.41%的整体能量转换效率,并且实现了对压力传感器的供电,用于检测人体生命体征。（2）利用氮化钒作为负极,二氧化锰作为正极,硫酸镁作为电解液,组装了准固态的镁离子基非对称超级电容器,体积能量密度达到13.1 mWh cm-3。进一步,丝网印刷技术被采纳,制备了柔性非对称超级电容器。最后,我们将上述制备的微型镁离子非对称超级电容器与柔性的硅基太阳能电池集成,成功构筑了可穿戴的光充自供电单元,实现了 11.95%的高整体能量转化效率,同时也具有优异的光充循环稳定性（100圈循环后容量保持大于95%）。（3）用镍钴双层氢氧化物作为正极,锌片作为负极,组装了碱性的锌离子电池,实现了突出的倍率性能。在1 A g-1的电流密度下达到278 mAh g-1的质量比容量,当电流增大到20 A g-1时,容量维持在274 mAh g-1,容量保持率高达98.56%。此外,我们采用激光切割技术,实现了柔性微型碱性锌离子电池的制备,实现了极好的柔性与较高的面积能量密度（136 μWh cm-2）。最后,我们与砷化镓太阳能电池集成,设计了可穿戴的一体化光充自供电器件,最高的能量转化效率达到23.11%。