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低維納米材料柔性儲能器件 版權信息
- ISBN:9787030680730
- 條形碼:9787030680730 ; 978-7-03-068073-0
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
低維納米材料柔性儲能器件 本書特色
本書內容翔實,系統闡述了不同柔性儲能體系的電極設計、電解質優化、 器件組裝、系統集成和智能化設計,并對納米材料柔性儲能器件目前存在的問題和未來的發展方向進行了討論與展望。
低維納米材料柔性儲能器件 內容簡介
本書為“低維材料與器件叢書”之一。隨著電子技術的不斷發展,便攜式電子器件及產品在不斷小型化、輕量化和柔性化,這對新一代儲能器件提出了“輕、薄、柔”的要求,柔性儲能器件的設計是實現接近柔性自供電電子系統的前提。柔性儲能器件不僅需要各器件組成單元在承受外力作用下保持原有的性能,還需要器件整體能夠具有對外場的柔性響應。納米材料具有大比表面積、髙導電性和優異力學性能,通過納米基元的納米復合和自組裝,可實現納米材料優異性能從微觀到宏觀的有效轉移,得到力學、電學和電化學性能兼備的柔性電極,納米材料的添加也會有效提升固態和準固態電解質的離子電導率和力學性能,因此,納米材料的發展為實現高性能柔性儲能器件的設計提供了可能。本書圍繞納米材料在柔性儲能器件中的應用,系統闡述了不同柔性儲能體系的電極設計、電解質優化、器件組裝、系統集成和智能化設計,并對納米材料柔性儲能器件目前存在的問題和未來的發展方向進行了討論與展望。
低維納米材料柔性儲能器件 目錄
總序
前言
第1章緒論1
1.1低維納米材料簡介2
1.1.1低維納米材料的定義2
1.1.2低維納米材料的分類及結構2
1.1.3低維納米材料的基本特性4
1.2儲能器件5
1.2.1超級電容器6
1.2.2電池7
1.3柔性儲能器件12
1.3.1柔性電極13
1.3.2隔膜和電解質18
1.3.3柔性儲能器件的檢測方法及標準20
1.3.4柔性儲能器件的發展歷史22
參考文獻25
第2章柔性超級電容器30
2.1柔性線狀超級電容器31
2.1.1柔性線狀超級電容器的結構特征31
2.1.2柔性線狀超級電容器的電極及器件設計33
2.1.3智能化柔性線狀超級電容器40
2.1.4展望43
2.2柔性薄膜超級電容器44
2.2.1柔性薄膜超級電容器的結構特征44
2.2.2柔性薄膜超級電容器的電極及器件設計47
2.2.3智能化柔性薄膜超級電容器60
2.2.4展望63
2.3柔性微結構超級電容器64
2.3.1柔性微結構超級電容器的結構特征64
2.3.2柔性微結構超級電容器的電極及器件設計66
2.3.3智能化柔性微結構超級電容器78
2.3.4展望82
2.4其他抗形變柔性超級電容器82
2.4.1可拉伸超級電容器82
2.4.2可壓縮超級電容器88
2.4.3可折疊超級電容器91
2.4.4可扭曲超級電容器93
2.4.5可裁剪超級電容器95
2.4.6展望96
2.5本章小結96
參考文獻98
第3章柔性堿金屬(鋰/鈉/鉀)離子電池112
3.1柔性鋰離子電池114
3.1.1柔性鋰離子電池的基本結構及特性114
3.1.2柔性電極及電解質材料的設計115
3.1.3柔性鋰離子電池器件的結構設計122
3.2柔性鈉/鉀離子電池130
3.2.1柔性電極的設計131
3.2.2柔性電解質的設計144
3.2.3柔性鈉離子電池器件的設計146
3.2.4柔性鉀離子電池的設計153
3.3柔性鋰/鈉-硫/硒電池156
3.3.1鋰-疏電池基本介紹156
3.3.2柔性電極的設計157
3.3.3柔性電解質的設計170
3.3.4柔性鋰-疏電池器件的設計與難點176
3.3.5柔性鋰-硒、鈉-疏、鈉-硒電池的設計184
參考文獻189
第4章柔性多價金屬(鋅/鎂/話)離子電池207
4.1柔性水系鋅離子電池207
4.1.1水系鋅離子電池基本介紹207
4.1.2柔性水系鋅離子電池的基本結構及特征210
4.1.3柔性正極的設計211
4.1.4柔性鋅負極的設計217
4.1.5凝膠電解質的設計221
4.1.6器件構型226
4.2其他柔性多價金屬(鋁/鎂)離子電池233
4.2.1柔性鋁離子電池研究進展233
4.2.2柔性鎂離子電池研究進展242
4.3本章小結244
參考文獻244
第5章柔性金屬空氣電池249
5.1柔性鋰空氣電池250
5.1.1鋰空氣電池概述250
5.1.2柔性空氣正極的設計252
5.1.3柔性負極的設計258
5.1.4柔性電解質的設計260
5.1.5柔性鋰空氣電池器件構型262
5.2柔性鋅空氣電池267
5.2.1鋅空氣電池概述267
5.2.2柔性空氣正極的設計269
5.2.3柔性負極的設計277
5.2.4柔性電解質的設計278
5.2.5柔性鋅空氣電池器件構型280
5.3柔性鋁空氣電池284
5.3.1鋁空氣電池概述284
5.3.2柔性空氣正極的設計286
5.3.3柔性負極的設計288
5.3.4柔性電解質的設計289
5.3.5柔性鋁空氣電池器件構型291
5.4柔性鈉/鎂空氣電池293
5.5本章小結296
參考文獻297
第6章柔性儲能器件的集成306
6.1柔性儲能器件與太陽能電池集成306
6.1.1線狀柔性儲能器件與太陽能電池集成307
6.1.2柔性薄膜儲能器件與太陽能電池集成315
6.1.3柔性集成系統性能評估326
6.1.4展望327
6.2柔性儲能器件與傳感器集成327
6.2.1傳感器概述328
6.2.2柔性超級電容器與傳感器集成330
6.2.3柔性電池與傳感器集成347
6.2.4展望352
6.3柔性儲能器件與其他電子器件的集成353
6.3.1柔性機械能-電能轉化與存儲集成系統353
6.3.2柔性熱能-電能轉化與存儲集成系統357
6.3.3柔性一體化能量采集-存儲-利用裝置358
6.3.4小結361
參考文獻362
第7章展望367
7.1材料結構設計與性能優化367
7.1.1電極優化設計367
7.1.2電解質優化設計370
7.2器件結構優化與制備工藝改進371
7.3集成化與智能化372
關鍵詞索引374
低維納米材料柔性儲能器件 節選
第1章緒論 隨著電子技術的發展,各種便攜式可穿戴電子設備產品,如柔性顯示設備、智能移動設備、植入式生物傳感器等,相繼被成功設計出來。柔性電子器件概念的提出,不僅是技術革新的關鍵點,更指明了人們未來生活的發展方向。與傳統的電子器件相比,柔性電子器件具有輕巧、便攜、可彎折、可穿戴甚至可植入等特點,這些特點與人們現有的生活方式相契合。柔性電子設備可穿戴、可植入等特點要求其在彎曲、折疊和拉伸等復雜形變下仍能正常工作,為了滿足和匹配這些新型電子器件,使*終自供電的電子產品整體具有柔性、可穿戴和可拉伸等性能,其相應的電源器件必須具有柔性、可穿戴和可拉伸等特性。但是,由于傳統儲能器件各部分材料和包裝的限制,目前以鉛酸電池、鋰離子電池(LIBs)和超級電容器(SCs)等為代表的傳統儲能器件是剛性的。例如,傳統儲能器件的電極主要是將活性材料、導電劑和黏結劑混合,然后利用傳統刮涂的方法將其涂覆到金屬集流體上,導致其力學性能較差,因此,在器件彎折過程中,含有活性物質的涂層容易發生斷裂,并從集流體脫落;另外,器件內部各組件也將發生錯位,導致器件性能嚴重下降甚至失效;而且,使用有機電解液的鋰離子電池等儲能器件還有起火和爆炸的危險。與傳統儲能器件相比,柔性儲能器件對器件內部各組件的材料設計提出了更高的要求:不僅具有優異的電化學性能,還要展現出良好的力學性能。顯然,各部分組件的材料設計是柔性儲能器件研發的關鍵。 納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍(1~l00nm)的材料,或由納米結構單元作為基本單元構成的材料。由于納米材料尺度已經接近電子的相干長度和光的波長,加上其具有大比表面積的特點,因此,與傳統塊體材料相比,它表現出很多獨特的性質,納米材料的發展也為高性能柔性儲能器件的材料設計提供了可能。除了大比表面積,納米儲能材料還表現出了優異的導電性和力學性能,更重要的是,通過對納米基元的組裝,可以使納米儲能材料的優異性能有效轉移到宏觀體電極,從而獲得力學、電學和電化學性能兼備的柔性儲能器件電極。因此,納米材料在柔性儲能器件領域受到人們的廣泛關注。目前,通過開發新的納米儲能材料,或者在原有儲能材料的基礎上提出新的工藝,使得儲能器件各組件能夠滿足柔性需求,通過進一步優化器件結構,設計出了不同類型的柔性超級電容器和電池器件,所得儲能器件在承受不同形變的情況下,仍然可以提供穩定的電源供給。目前對于納米儲能材料和器件的研究并未停留在理論和實驗上,據統計,未來幾年內,全球柔性電池將有數億美元的市場。除了高校科研團隊不斷開發新型的柔性儲能器件外,全球各大電子設備企業也對柔性儲能器件進行了大規模投入。雖然目前柔性儲能器件仍處于研發階段,和實際應用還有一定差距,但可以預見的是,未來搭載柔性儲能器件的自供電柔性電子設備一定會成為未來人們生活的重要組成部分。本章將對納米材料和儲能器件進行簡單介紹,并從構成柔性儲能器件的納米材料入手,簡單闡述納米材料在柔性儲能器件領域的應用;另外,也將簡單總結柔性儲能器件的測試標準和發展歷史。 1.1.1低維納米材料的定義 納米是一種國際單位制單位,lnm=10.9m。原則上,納米材料被描述為至少一個維度長度為1~1000nm的材料;然而,其通常被定義為粒徑在1~100nm范圍內的材料。如今,歐盟和美國都有一些專門針對納米材料的說法。然而,對于低維納米材料來說,單一的國際公認的定義還沒有達成共識。不同的組織在定義納米材料方面有不同的意見。比較常用的定義是國際標準化組織提出的,其將納米材料描述為至少有一個維度尺寸在1~100nm范圍內的材料,并表現出尺寸依賴現象⑴。 1.1.2低維納米材料的分類及結格I 低維納米材料按其維度分類,可分為零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料及三維納米材料[2]。 (1)零維納米材料:通常又稱為量子點[圖1-1(a)],即電子在三個維度上的能量均已量子化,都處于1~100nm之間[3,4]。電子的運動在三個方向上都受到限制,不能自由運動,如原子團簇、納米粒子等。 (2)—維納米材料:通常又稱為量子線,空間中兩個維度在1~100nm之間,第三維度不在納米維度范圍內。電子的運動在兩個方向上受約束,但可在第三維度自由運動,如納米棒[圖1-1(c)]、納米帶、納米線[圖1-1(d)]和納米管等[5’6]。 (3)二維納米材料:通常又稱為量子肼,其中一個維度為納米尺度,其他兩個維度不在納米維度范圍內,分布在一個平面上。電子運動在一個方向上受約束,在其余兩個方向上可以自由運動,主要包括納米片[圖1-1(b)][5]、納米薄膜等。 (4)三維納米材料:由納米基元組成的體相材料,內部具有豐富的納米結構,展現出納米材料的獨特性能,在三個維度上都超出納米范圍,如納米花[圖1-1(e)J、納米球和納米網絡[圖1-1(f)J等[8,9]。 圖1-1納米材料的常見形貌:(a)量子點(b)納米片[5];(c)納米棒[6];(d)納米線[7];(e)納米花[8];(f)納米網絡[9] 除了按維度分類之外,基于材料類別,也可將納米材料分為碳納米材料、無機納米材料和有機納米材料等。碳納米材料,如富勒烯(C6Q)、碳納米管(CNTs)、碳納米纖維(CNFs)和石墨烯等(圖1-2),因其優異力學性能和大比表面積等特性而被廣泛應用于新型儲能器件的柔性基底無機納米材料主要包括金屬納米顆粒和金屬氧化物等;有機納米材料主要包括樹狀大分子、膠束、脂質體和聚合物等。 納米材料可以和其他材料進行復合,形成納米復合材料,使之具有更加廣泛的用途。納米材料的復合對象可以是上述其他維度或種類的納米材料,也可以是金屬、陶瓷或聚合物材料等。在電化學儲能領域,通常情況下是將充當導電基底的碳納米材料與作為活性物質的其他功能納米材料結合,從而達到提升復合物電極電化學性能目的。 圖1-2常見碳納米材料[10] 1.1.3低維納米材料的基本特性 低維納米材料與宏觀材料相比有著明顯的結構差異,使其表現出許多獨特的物理效應,如小尺寸效應、表/界面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等。上述效應的相互作用使低維納米材料呈現出與宏觀同類化合物不一樣的獨特物理化學性質。 (1)小尺寸效應:當納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波波長及超導態的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時,納米粒子結構周期性的邊界條件將被破壞,從而使納米材料表現出許多新的物理特性,這種現象稱為小尺寸效應[11]。這也是制備儲能器件電極時,相比于常規材料,低維納米材料具有更好的整體柔性和延展性,可以提供更大的比表面積的原因。 (2)表/界面效應:與宏觀材料相比,納米粒子隨著尺寸減小,表面原子比將逐漸增大,比表面積增加,同時原子無序度增加,對稱性降低,從而使材料的物理和化學性質發生變化。這種效應除了使納米材料具有較大的擴散系數,還使其在化學反應中有較高的化學活性[12]。 (3)量子尺寸效應:納米材料的量子尺寸效應是指當材料尺寸縮減到納米尺度后,納米材料的能級會發生分裂,材料原有的準連續能級會分裂為離散能級。當材料平均能級間隔大于所受外界電、光和磁等能量時,納米材料會與宏觀材料表現出截然不同的特性[13]。 (4)宏觀量子隧道效應:微觀粒子的量子隧道效應又稱為勢壘貫穿,是指當物質處于納米尺度時,盡管其自身的總能量低于勢壘髙度,但納米粒子還是有一定概率可以穿過該勢壘而產生宏觀物理量的變化[14]。總的來說,當材料的尺寸減小到納米范圍時,其某些物理、化學性質將發生顯著變化,并表現出獨特的相關特性。 以上四種納米材料的基本效應單獨或相互作用使得納米材料在表面性質、力學、電學、光學、熱學和電化學等方面表現出與宏觀材料的顯著差異。 (1)表面性質:由于納米材料顆粒非常小,表面原子數增多,因此與宏觀材料相比,在相同質量條件下納米材料具有更大的比表面積,利用此性質可以將納 米材料應用于儲能器件中,由于其較大的比表面積,可以增大電極與電解液的接觸面積,增加比容量,提高電化學性能。此外,由于納米材料大的比表面積,其能夠在表面生長或吸附其他材料,從而實現納米材料的有效復合。 (2)力學性能:在納米尺度上,由于比表面積的增大,表面效應占主導地位,納米材料的強度和硬度明顯提高,可以顯著地改變其宏觀體的機械性能。此外,由于原子在其表面排列混亂,因此在外力作用下易發生迀移,宏觀上表現出良好的延展性。因此納米材料可以在保持高力學性能的同時還具有優異的柔性,使其在彎曲、折疊、扭曲或拉伸等外力作用下仍可以保持穩定的工作狀態,這也是納米材料在柔性儲能領域中具有廣闊前景的原因。 (3)電學性質:由于晶體界面處原子體積分數增加,納米材料的電阻高于宏觀材料,甚至會發生尺寸的誘導金屬向絕緣體的轉變。利用納米粒子的量子隧道效應和庫侖阻塞效應制成的納米電子器件有望在不久的將來完全取代目前的常規半導體器件。 (4)光學性質:納米顆粒比表面積較大,導致其平均配位數下降,不飽和鍵增加,使得界面極化,吸收頻帶變寬。此外,納米金屬的光吸收性顯著增強,出現消光現象,所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現黑色。相反,一些非金屬材料在接近納米尺度時,會出現反光現象[15]。 (5)熱學性質:隨著顆粒尺寸的減小,特別是當顆粒尺寸小于10nm時,納米顆粒的熔點明顯降低。例如,銀的正常熔點為670V,而銀超細納米顆粒的熔點低于100°C。此外,由于尺寸效應與表/界面效應相互作用,納米材料的比熱和熱膨脹系數明顯增髙。因此,納米材料在制備蓄熱材料等方面有著廣闊應用前景。 (6)電化學性質:納米材料的小尺寸效應和表/界面效應對其電化學性質存在顯著影響。作為電極的活性材料,大比表面積可以增強表面活性和電解質滲透率,從而表現出優異的電化學活性。納米材料現已廣泛應用于超級電容器和鋰離子電池等能量轉化和存儲領域中。例如,CNTs,CNFs,炭黑和石墨烯等碳納米材料具有大的比表面積和優異的導電性,使電解質與電極接觸面積增加的同時改善了電子傳導,從而提升了儲能器件電化學性能[16]。 1.2儲能器件 能量是質量的時空分布可能變化程度的度量,以多種不同的形式存在,多種形式能量之間可以通過物理效應或化學反應而相互轉化。合理地將能量存儲利用起來,完成不同形式之間的能量相互轉換,是科學與技術研究的重要內容。其中,電化學儲能器件是化學能與電能之間的轉換器件,在能量轉化過程中扮演了不可或缺的角色。儲能是能源、醫療、信息、航空航天和國家安全等領域的關鍵支撐技術[17]。在眾多儲能器件中,超級電容器和二次電池因其優異的性能受到了人們越來越多的關注。超級電容器既具有傳統電容器快速充放電的特性,同時又具有電池的儲能特性,但是與電池相比,超級電容器的能量密度較低,由于雙電層電容器(EDLCs)充放電過程中不發生化學反應,因此其充放電速度快,而且充放電過程高度可逆,理論上可重復充放電數十萬次[18,19]。二次電池又稱為可充電電池,電池放電后,通過充電過程使活性物質恢復到放電前狀態,從而使電池再次使用,實現電池的可逆充放電。除了市場上現有的商業化充電電池,如鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸(或鉛蓄)電池和鋰離子電池等,鈉離子電池、金屬空氣電池和鋰(Li)-硫(S)電池等新型電池也正在被陸續研發出來。本節將對超級電容器和幾類重要的電池器件進行介紹。 1.2.1超級電容器 超級電容器又稱為電化學電容器,是一種新型儲能裝置[20,21]。和傳統電容器相比,超級電容器通常選用大比表面積材料作為電極,增加了充放電過程中電解質和電極的接觸面積,有效提高了器件能量密度[22]。此外,超級電容器在充放電過程中的離子吸脫附和氧化還原反應主要發生在電極表面,因此可以實現快速充放電,功率密度高。基于吸脫附的充放電機理避免了離子深
低維納米材料柔性儲能器件 作者簡介
牛志強,南開大學化學學院研究員,博士研究生導師,海外高層次人才計劃入選者,國家優秀青年科學基金獲得者。2004年本科畢業于濟南大學理學院;2007年碩士畢業于首都師范大學物理系;2010年博士畢業于中國科學院物理研究所;2010-2014年在新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院從事博士后研究;2014年入職南開大學化學學院。現任南開大學化學學院應用化學與工程研究所所長。 目前主要從事新型儲能材料與器件方面的基礎與應用研究。先后主持國家重點研發計劃項目子課題、國家自然科學基金委優秀青年科學基金、軍委科技委前沿創新計劃等國家級和省部級項目。已在Chem.Soc.Rev., Nat.Commun.,AdM Mater.,Angew.Chem.Int.Ed.等期刊上發表SCI論文120余篇;入選科睿唯安全球高被引科學家名錄,擔任國際電化學能源科學院委員會委員、國際電化學能源科學院委員會委員、中國電工技術學會超級電容器與儲能技術委員會委員;擔任SCIENCE CHINA Chemistry.Science Bulletion, Chinese Chemical Letters等期刊青年編委。
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