刘生忠等人Small Science: 基于钙钛矿光伏的可光充电超级电容器

知光谷
2023-03-21
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光充电自供电系统可以及时将太阳能转化为电能,满足可穿戴设备的用电需求。通过将太阳能电池和电化学储能器件超级电容器耦合,所制备的器件为光充电超级电容器,能有效地缓解太阳能电池的供电不稳定性,在智能电子产品等方面具有巨大的应用潜力。其中,超级电容器具有高功率密度、优异的倍率性能和良好的循环稳定性,有利于电荷从太阳能电池转移到超级电容器,提高光电性能。尽管超级电容器具有很高的功率密度,但其能量密度仍需进一步提高以满足实际应用的要求。为此,研究者关注了高导电性的碳纳米管、石墨烯和MXene等材料,来提高电极的比容量。但在柔性可穿戴电子产品中,超级电容器不仅需要高能量密度,还需要具有良好的机械性能和柔性来满足多变的器件应用条件。为了满足这一点,开发了以有机硫化物、有机自由基、亚胺类和羰基类的有机电极材料。最近,研究者又发现了偶氮化合物可作为有机电极材料,其活性位点N=N可以通过可逆相互作用与金属离子相互作用,从而实现高容量电荷存储。

近日,大连化学物理研究所刘生忠团队在Small Science上发表了研究文章,使用P-Azo材料作为超级电容器的有机电极,并将超级电容器与钙钛矿太阳能电池进行耦连合,制备了可光充电的超级电容器。

在本工作中,研究团队使用了对二氨基偶氮苯(P-Azo)作为超级电容器的电极材料。在P-Azo分子结构中,活性位点N=N直接与苯环相连,形成了大的π共轭体系,使其最低的未占用分子轨道(LUMO)有利于电子转移,增加了有机分子的导电性。此外,P-Azo的活性位点(N=N)可以实现两个电子的转移,这使得对二氨基偶氮苯具有更高的能量密度。

随后,团队将P-Azo有机电极作为负极,活性炭作为正极,聚丙烯酰胺离子凝胶作为电解质,组装成全固态柔性超级电容器。所制备的不对称柔性超级电容器具有高比容量(0.1 mA·cm-2时为1195.875 mF·cm-2)和能量密度(80 mW·cm-2时为425.2 mWh·cm-2,8000 mW cm-2时为10.44 mWh·cm-2)。该柔性超级电容器在不同弯曲角度和80 000次循环下弯曲后仍具有稳定的电容保持力。此外,该超级电容器可以与钙钛矿子模块耦合,制备可光充电超级电容器,并实现7%的整体能量转换效率。作者表示,这种柔性的超级电容器在未来的可穿戴电子产品领域具有广泛的应用潜力。

Haoxiang Zhang, Minyong Du, Xinxin Xing, Hui Wang*, Kai Wang*, Shengzhong (Frank) Liu*,An Azo-Based Electrode for All-Around High-Performance Flexible Supercapacitors, Small Science, 2023

DOI: 10.1002/smsc.202200101

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202200101

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