南京大学在柔性可穿戴自供电能源器件方面取得重要进展

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南京大学化学化工学院金钟教授和刘杰教授共同带领的“微纳米能源材料课题组”在纤维状能源器件方向取得重要进展，相关研究成果以“MoS2-Based All-Purpose Fibrous Electrode and Self-Powering Energy Fiber for Efficient Energy Harvesting and Storage”为题发表在Advanced Energy Materials 2016, 601208。助理研究员梁佳博士和博士研究生朱国银为论文共同第一作者。
能源与环境危机已经成为人类社会关注的重要问题，因此设计绿色高效的能源采集和存储器件是非常重要的。在过去的十多年里，染料敏化太阳能电池、超级电容器、锂离子电池、燃料电池等能源器件得到了广泛研究，但是传统的能源器件结构已经难以有效满足可穿戴设备微型化、便携化、集成化的发展需求。与传统的平面状能源器件相比，纤维状能源器件质量更轻、柔性更好、集成度更高，同时可以像高分子纤维一样，通过纺织技术进行大规模应用，从而满足可穿戴设备和各种便携式电子设备的应用需求。
金钟和刘杰教授课题组以新型二维材料（MoS2）为设计思路，以碳纳米纤维材料为基础，制备出多功能的CF@TiO2@MoS2同轴纳米复合纤维，该纤维在太阳能电池、超级电容器、锂离子电池以及电催化等方面均具有优异的性能（图1）。

图1. CF@TiO2@MoS2同轴纤维的结构及其在染料敏化太阳能电池（DSSC），超级电容器（supercapacitor），锂离子电池（LIB），氢析出反应（HER）等方面的应用。

在纤维状太阳能电池和超级电容器的研究基础上，该团队采用该复合纤维电极构筑了纤维状光电转换与能源存储一体化集成器件（图2）。在我们设计的自供电纤维状能源器件中，能源采集和能源存储单元共享同一根纤维电极，通过简单且低成本的方法，在单个纤维器件上同时实现“光-电-电化学”能源采集和存储，并且具有高效率、耐弯折、可编织等优点（图3）。该自供电器件的太阳能电池部分的光电转换效率达到了9.5%，是目前世界上已发表文献中纤维状太阳能电池效率的最高记录。在太阳光照条件下，该器件的超级电容器部分能够实现仅需7秒钟的快速充电（图4）。本项目在柔性可穿戴自供电能源系统中迈出了关键一步，为发展下一代先进能源器件提供了新思路。

图2. 利用单根CF@TiO2@MoS2同轴纤维电极实现DSSC、supercapacitor、LIB或HER等应用的示意图。

图3.（a）基于同轴纤维电极的DSSC器件结构示意图。（b）工作电极表面微观结构。（c）耐弯折性能测试。（d）一根长度为17厘米的纤维能源器件实物。

图4. （a）纤维状光电转换与储能集成器件反应示意图。（b）不同工作状态的自供电能量纤维的电压-时间曲线图。（c）自供电能量纤维的光-化学-电能量转换效率。

该研究工作得到了国家青年千人计划、973计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。

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来源：南京大学化学化工学院

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