應用于智能物聯網的無摩擦驅動整流自充電超級電容器
物聯網(IoT)和便攜式電子裝置的快速發展為可持續能量收集和儲存設備創造了巨大需求。為了滿足這一需求，已經對高效能量收集器和儲能裝置的制造進行了深入研究。摩擦納米發電機(TENGs)和壓電納米發電機(PENGs)已被用于機械能收集，而電化學電容器或超級電容器作為未來儲能裝置也顯示出高潛力。超級電容器作為儲能單元的超級電容器功率電池，通常被稱為自充電超級電容器功率電池(SPC)，它們具有快速的充放電速率、更長的壽命周期和更高的功率密度，進而引發了範式轉變。然而，自充電SPC主要由壓電機制驅動，這延長了SPC的充電時間。
SPC包含聚合物隔膜(PVDF和共聚物)和浸漬凝膠電解質（離子凝膠或離子液體），并将其夾在超級電容器電極之間。金屬有機架構(MOF)是由無機金屬離子和有機配體組成的結晶納米材料，它們通過強配位鍵結合在一起。當MOF碳化時，多孔碳網絡的形成和MOF分解同時發生，形成納米多孔碳(NPC)。NPC具有大的表面積、納米級孔隙率和可調的孔徑，這使其成為超級電容器電極中極具前景的材料。
基于此，南韓光雲大學的Jae Y. Park等人提出了一種SPC，它可以通過“摩擦電化學機制”存儲由TENGs産生的能量，而無需整流器或外部電路，并研究了TENGs的機械收集性能以及SPC的電化學性能。
圖1. 自充電SPC的設計理念和示意圖
SPC由聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯) (P(vdf-HFP))作為聚合物隔膜，該隔膜浸漬有離子液體 1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺([EMIM] [TFSI])電解質，以及金屬有機架構衍生的钴納米多孔碳/雷射誘導石墨烯/銅(Co-NPC/LIG/Cu)電極。其中有序石墨晶體的大表面積和多孔性提高了導電性，有利于在電解質/電極層附近形成更高的電雙層(EDL)，進而增加SPC的電容。
圖2. SPC的實體表征
由于SPC具有更大的摩擦電勢、更大的表面積和更高的電解質離子電導率，實作了25.60 mF cm-2的高面積電容、0.0278 mW.h cm-2的能量密度和0.089 mW cm-2的功率密度。自充電SPC将TENGs和SPC組合成一個內建器件，TENGs産生2.5 mW的功率，可在9秒内成功地将SPC充電至最大電壓210 mV。而且SPC在10 k個循環穩定性測試中，電容仍保持在95%，顯示出高穩定性。與最先進的工作相比，自充電SPC可以在短時間内充電到更高的電壓，顯示出更優越的自充電性能。
圖3.SPC的電化學分析
考慮到增強現實、虛拟現實和人工智能的持續需求，自充電SPC被示範為無線控制器，其中SPC提供動态和靜态信号來控制遊戲界面中T-REX恐龍在遊戲界面中的“跳躍”和“躲避”動作，此外，該裝置還被用作智能家居應用的智能開關。
圖4.示範自充電SPC作為智能家居應用的智能開關
總之，本研究揭示了通過TENG在沒有任何外部電路的情況下為超級電容器充電的潛力，并揭示了自充電超級電容器的能量轉換過程。
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Kumar Shrestha, Sudeep Sharma, Gagan Bahadur Pradhan, Trilochan Bhatta, SM Sohel Rana, Sanghyun Lee, Sookyeong Seonu, Youngdo Shin, Jae Y. Park
DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107713
