武汉大学吕昂团队：基于纤维素凝胶的超级电容器与摩擦纳米发电机构建的柔性抗冻自供能系统
能源危机是人类面对的全球性问题，而能量收集和能量存储是能源系统中两项不可或缺的技术。与风能、潮汐能和太阳能等可再生能源相比，摩擦纳米发电机（TENG）能将机械能直接转化为电能而不受空间和时间的限制。由于 TENG 提供的电能很难直接为传统电子设备供电，因此需要能量存储器件。同时考虑到可穿戴性，可以通过导电水凝胶来开发柔性的 TENG 和超级电容器。然而，传统的水凝胶在低于零度的温度下会结冰从而失去工作能力。因此，需要开发由超级电容器和TENG组成的柔性抗冻自供能系统。纤维素被认为是石油基材料的理想替代品，兼具可降解性，生物相容性等优异性能，在绿色化学领域有广泛的应用。目前虽然有一些关于纤维素 TENG 和超级电容器的报道，然而，在超级电容器和自供电系统等储能设备领域，使用原始纤维素而不涉及合成聚合物的凝胶，尤其是在极端恶劣环境中的应用报道仍然很少。
最近，武汉大学秦超然(第一作者)、吕昂副教授，成功制备出一种抗冻、导电纤维素水凝胶，表现出低至 -54.3摄氏度的低温耐受性，同时具有较高的透明度和拉伸性能（242%），并构建了基于纤维素凝胶的超级电容器与摩擦纳米发电机构建的柔性抗冻自供能系统。
将纤维素溶液在NaCl/EG水溶液中再生后可以得到纤维素有机水凝胶，其中NaCl 浓度和 EG 体积分数会影响有机水凝胶的特性。实验发现，在含有 2.5 M NaCl 的 60% EG 水溶液中再生的有机水凝胶显示出优异的性能。组装基于纤维素凝胶的超级电容器，其具有典型的双电层电容器特征，在0.67 mA/cm2的电流密度下面电容量为66.7 mF/cm2，表现出优异的超级电容器性能，可为小型用电器进行供电。由于纤维素凝胶优异的柔韧性和抗冻性，超级电容器还表现出对低温和弯曲循环的耐受性。基于纤维素凝胶的摩擦纳米发电机开路电压可达200V，并可在低温条件（-24摄氏度）下工作，具较强的稳定性, 多次循环后电压几乎没有下降。将纤维素基摩擦纳米发电机与纤维素基超级电容器集成，他们构建了一种柔性且抗冻的自供能系统，利用纤维素基摩擦纳米发电机产生的电能为纤维素基超级电容器进行充电，充电后的纤维素基超级电容器能够驱动小型电子设备。该成果以“Flexible, Anti-freezing Self-Charging Power System Composed of Cellulose based Supercapacitor and Triboelectric Nanogenerator”为题发表于Carbohydrate Polymers上。
图1.(a) 有机水凝胶的透光率，插图是有机水凝胶的照片。(b) 用纤维素有机水凝胶组装超级电容器的示意图。(c) 不同电流下有机水凝胶超级电容器的 GCD曲线。(d)为电子计算器供电的有机水凝胶超级电容器的照片。(e) 在冷热循环过程中的电容变化。(f) 有机水凝胶超级电容器的弯曲稳定性。
图2.(a) N2.5E60（NaCl 浓度为 2.5 M，EG 含量为 60 vol%）TENG结构示意图。(b) N2.5E60 TENG 接触分离运动的开路电压 (VOC)，运动频率为 1 Hz。(c) N2.5E60 TENG 的 VOC，持续约 2000 次接触-分离循环运动（约 34 分钟）。(d) N2.5E60 TENG 在 -24.0 °C 和 1 Hz 运动频率下的 VOC。(e) N2.5E60 TENG为N2.5E60超级电容器充电的充电曲线，插图为N2.5E60超级电容器和N2.5E60 TENG组成的自供能系统模拟电路图。(f) N2.5E60 TENG为N2.5E60 超级电容器充电后为计算器供电的的照片。
综上所述，通过溶解-再生得到具有高透明度，高电导率和良好拉伸性能的抗冻导电纤维素水凝胶。基于纤维素水凝胶的超级电容器表现出优异的电容性能，电容为 66.7 mF/cm2，能量密度为 9.3 μWh/cm2，功率密度为 334.8 μW/cm2，并且具有抗变形和抗冻性。基于纤维素的TENG表现出 205 V 的高 VOC、56 nC 的 QSC 和 1.0 μA 的 ISC，以及耐低温性和多次循环耐用的能力。将纤维素基超级电容器和TENG集成后，构建了一个柔性、抗冻的自供能系统，可以驱动微型电子设备，显示出巨大的潜力。该工作利用纤维素实现对机械能的收集和储存，具有在恶劣条件下作为可穿戴自供能系统的巨大潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118667
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