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多形态非封装的摩擦纳米发电机研究

多形态非封装的摩擦纳米发电机研究

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作者：张雪梅重庆大学

学位级别：硕士

随着科技的发展和进步,人们对电力的需求与日递增,这不仅使电力供给系统面临着巨大的问题,而且给有效的电力获取也提出了新的挑战。为了实现“双碳目标”的电力供给和获取,太阳能发电、生物质发电、风力发电和水力发电等低碳或无碳的绿... 详细信息

随着科技的发展和进步,人们对电力的需求与日递增,这不仅使电力供给系统面临着巨大的问题,而且给有效的电力获取也提出了新的挑战。为了实现“双碳目标”的电力供给和获取,太阳能发电、生物质发电、风力发电和水力发电等低碳或无碳的绿色可再生能源发电方式成为了目前的研究热点。可收集环境中机械能的摩擦纳米发电机自2012年被发明以来,由于具有适应性广、选材广泛、低频下转换效率高等优点,成为了绿色可再生能源发电的研究前沿和热点。地球表面大约70%的部分被水覆盖,这些水以河流、雨滴、波浪等多种形式存在并储存着大量的高熵低频动能。尤其是海浪能,其全年发电量可超过21900TWh,应用的潜力和前景巨大。但是,由于现有技术的限制,这些水能绝大部分却没有被有效地利用和将其转换为电能加以使用。本文结合环境中机械能和各种形式水能的特点,设计并制作了基于摩擦纳米发电机的无规则、多种形式水能收集器,并构建了自供电雨滴传感和监测系统;该研究工作为可再生能源收集和转化提供了新的途径,也为摩擦纳米发电机在可再生能源收集和自供电领域中的广泛应用提供理论和实验依据。全文主要研究内容如下:(1)基于摩擦起电和静电感应原理,设计并制作了非封装U形摩擦纳米发电机(NPU-TENG)。由于该摩擦纳米发电机内部的摩擦层接触分离方向与外部机械刺激运动方向垂直,当外部机械能带动自由活动端往复运动时,可有效地将无规律运动的机械能转换成电能,实现器件的交流电输出。对器件的结构参数研究表明,其叠加层数增加可以提升输出电荷和电荷体密度,在7层时,可达到5.2 m C/m的电荷体密度。(2)基于上述工作和杠杆原理,将获得的结构参数最佳的非封装U形摩擦纳米发电机用于多种形式水能收集,并构建了雨滴传感系统。非封装摩擦纳米发电机由以下两部分组成:与不同形式水能匹配的触发端和U形摩擦纳米发电机部分。器件可用于收集水上/下的水流能量、水波所引起的振动能量以及雨滴能量并为电容器等电子设备供电。基于脉冲电信号的频率与雨滴降水强度之间良好的线性关系,构建了基于Lab VIEW软件的自供电雨滴传感平台。在实际的应用当中,非封装U形摩擦纳米发电机的机械耐久性是不可忽略的因素,在连续工作45 k次后,其转移电荷仅衰减了6.17%。

关键词：摩擦纳米发电机非封装水能自供电传感系统

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基于镍钴氧化物的柔性超级电容器的制备与研究

基于镍钴氧化物的柔性超级电容器的制备与研究

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作者：孙同睿大连理工大学

学位级别：硕士

如今,人们对于智能、便捷的可穿戴设备的需求日益增加,可穿戴超级电容器以及基于其设计自供电传感系统由于其优异的储能性能和在健康监测领域的应用前景受到了研究人员的广泛关注。镍钴氧化物作为一种具有较高比电容且环境友好的过渡金... 详细信息

如今,人们对于智能、便捷的可穿戴设备的需求日益增加,可穿戴超级电容器以及基于其设计自供电传感系统由于其优异的储能性能和在健康监测领域的应用前景受到了研究人员的广泛关注。镍钴氧化物作为一种具有较高比电容且环境友好的过渡金属氧化物材料被广泛应用于储能领域,同时由于其对于葡萄糖传感特性,在葡萄糖传感领域也广泛应用。实现镍钴氧化物的柔性化和优异的电化学性能并将其应用到储能和传感领域中,是高效地实现实时人体健康监测的重要环节,对可穿戴电子设备的发展有重要意义。主要研究内容如下:(1)利用简单、高效的电化学沉积法,成功制备了基于导电碳纤维的氮掺杂碳与镍钴氧化物的复合材料(CF@NiCoO@N-C)柔性电极。通过材料表征和电化学测试分析,证明了CF@NiCoO@N-C优异的电化学性能。当电流密度为2 mA cm时,比电容为644 mF cm,这表明该柔性电极具备出色的电容性能。对CF@NiCoO@N-C柔性电极在10 mA cm的电流密度下进行了10000次循环测试后,比电容保持率高达94%,验证了其优异的循环稳定性。由于碳纤维的基底的可编织性,柔性电极可以轻松的集成到衣服上,简单高效的实现可穿戴。(2)利用相似的电沉积法制备了CF@N-C柔性电极,其显示出优异的电容性和倍率性能,将其用于超级电容器的负极,与CF@NiCoO@N-C组装了柔性固态超级电容器,其中PVA/KOH凝胶电解质作为固态电解质。器件在2 mA cm下的比电容为98.5mF cm,这表明该器件具有优异的电容性能。同时器件也兼具了高电容稳定性(8000次循环后具有95%的电容保持力)和出色的柔韧性(10000次弯曲循环后具有95%的电容保持率).(3)利用柔性固态超级电容器与太阳能电池集成了自供电的柔性能源器件,电化学测试证明了其在不同情况下的稳定输出,显示了在可穿戴储能领域的应用价值。而后将利用电化学沉积法制备的CF@NiCoO@N-C柔性电极组装了无酶葡萄糖传感器,器件显示出了较高的灵敏度。在与自供电能源器件集成了构建了自供电的传感系统,实现了智能手机对葡萄糖浓度的远程检测。

关键词：镍钴氧化物柔性电极可穿戴超级电容器葡萄糖传感器自供电传感系统

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