可穿戴电化学器件的自充电结构设计与电极材料的制备及性能研究

作     者：朱珍福 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨希佳;李丽

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：超级电容器 摩擦纳米发电机 自充电结构设计 穿戴器件 电极材料 

摘      要：随着便携式电子设备的不断发展,如可拉伸电路、表皮电子、可穿戴传感器等,迫切的需要可持续的柔性能源系统。摩擦纳米发电机（TENG）是一种完美的能量收集装置,其能够将不规则的低频机械能转化为电能,并表现出成本低、结构简单、效率高和材料选择多样的独特优势。因此,与储能器件组装成自供电系统可以智能地收集和储存来自人体运动和周围环境的能量,推动实现灵活、免维护和高度耐用的可穿戴电子设备。然而,能量在收集,转换和存储过程中存在巨大的损耗,因此如何保证能量的可持续收集以减少能量的流失成为了关键。因此本文通过对电极材料的选择和优化,电路结构以及自充电系统的设计来优化和提高自充电系统的工作性能和效率。 （1）以碳布（CC）负载的Nix VO·n HO（NVO）为阴极,与活化CC作为阳极组装成柔性锌离子超级电容器（ZIHC）,其具有2.0 V的电压范围和267.1m F cm的电容值。此外,NVO/CC与具有良好的柔韧性、高疏水性、透明度和优异的电负性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）组合构成单电极TENG。其最大瞬时功率达到18.5m W cm。通过将TENG与ZIHC集成,提出了一种柔性自充电能源系统。该系统具有可穿戴性、兼容性和轻量化等特点。可连续收集和存储生物力学能量,并成功为电子手表充电。 （2）以PEDOT:PSS包裹的银改性碳纤维（CF）作为阴极,以碳纳米管薄膜（CNF）负载FeO/Mo S为外部阳极设计纤维状柔性超级电容器（SC）,并在5000次循环后仍表现出92%的保持率的出色稳定性。此外,以SC的阳极材料作为TENG的导电层,涂覆硅橡胶作为摩擦层,形成单电极结构TENG,可与SC构成柔性纤维状兼容结构自充电系统,其充电速率是非兼容条件下的2倍。通过编织纤维状自充电系统作为柔性穿戴织物,可收集人体运动为电子器件充电,还可以用作自供电传感器,准确检测人体运动和当前身体状况。 （3）通过有机小分子掺杂单壁碳纳米管（SWCNT）制备P型或N型有机半导体,并在CC上负载以获得柔性半导体织物。基于两者的摩擦伏安效应,通过往复摩擦可产生直流输出,输出的电压为4 V,电流为2.5μA,并达到200 m W m的功率密度。另外,室温下在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上采用原位沉积的方法制备大面积PB膜,与P型织物构建柔性电致变色超级电容器。通过与TENG进行组装,实现通过颜色变化确定电子设备充电程度,为柔性可视化自充电系统提供了可能。