作者:李清文等 来源:《先进材料》 发布时间:2015/8/9 18:04:33
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柔性与力量碰撞出的导电载体

 

基于碳纳米管纤维的柔性可穿戴太阳能钙钛矿电池

柔性纤维状可编织电学器件作为碳纳米管纤维的重要发展方向,正处于蓬勃发展阶段。

■本报见习记者 郭爽

柔性纤维状可编织电学器件作为碳纳米管纤维的重要发展方向,正处于蓬勃发展阶段。

近日,中科院苏州纳米所李清文团队在柔性可穿戴器件研究方向取得了新进展。他们采用柔性的碳纳米管纤维作为导电电极,将整个电池采用透明聚合物封装,使得电池稳定性有了大幅提升。该研究成果发表在《先进材料》上,并被国际著名科学新闻杂志New Scientist报道。

未来将成为穿戴器件重要发展方向

“从纤维角度看,碳纳米管纤维是一种崭新的纤维材料,具有传统纤维不可比拟的力学性能,也具有优异的导电性能,而且碳纳米管纤维是一种组装结构,内部含有上百万甚至上亿个纳米结构单元,这种丰富的界面特性在能量转换和输运方面具备了独特的优势。”李清文在接受《中国科学报》记者采访时表示。

据了解,柔性纤维状的电学器件,如纤维状锂离子电池、纤维状太阳能电池、纤维状记忆存储器及纤维状超级电容器,可以编织成各类织物,与人们日常穿戴结合起来,用于制备智能织物。碳纳米管纤维,以其柔性、质轻、高导电及多级界面等特点非常适合作为柔性的导电电极。

基于纳米材料发展柔性可穿戴器件是国际上新兴的课题,而纤维类材料与生俱来的柔性和易于同织物编织的特性,使得发展纤维类器件成为可穿戴设备领域非常重要的一个方面。

“在柔性可穿戴纤维器件开发领域,需要重点考虑的是纤维主体材料的选择和纤维器件结构的设计。我们选用的是一种新型的纤维材料,它是由大量碳纳米管组成的具有良好导电性能且柔韧的宏观纤维。”李清文告诉记者。

因此采用这种集众多优异特性于一身的碳纳米管纤维作为线型器件的主体材料对于开发可穿戴器件提供了良好的平台。同时在器件的设计方面,碳纳米管纤维中存在的大量界面,为纤维的改性及功能化提供了可能,使得一些具有功能特性的活性物质更易于与碳纳米管纤维复合,进而得到性能优异的柔性纤维器件。

李清文说,随着近年来可穿戴设备的兴起,目前国内外对于纤维类器件的研究也呈现出不断增长的态势,特别是纳米碳材料组成的纤维,如碳纳米管纤维和石墨烯纤维,由于其出色的特性,因此基于这种纳米纤维器件的开发,未来仍将是可穿戴器件领域重要的发展方向。

柔性可穿戴钙钛矿太阳能电池

李清文研究团队制备的碳纳米管纤维具有非常良好的柔韧性,可以轻易的将其弯折成圆环形状,甚至可以将其打结,这对于发展未来的柔性可穿戴式器件而言有着非常重要的影响。即便将碳纳米管纤维用钙钛矿包裹后,其柔韧性依然可以很好地保留。

“我们通过生长工艺参数和生长环境的调节和控制,实现了具有高界面附着力的复合纤维结构,使得纤维器件即便在弯折甚至打结的情况下依然能够保持稳定的结构和高效的光电转换能力。” 李清文研究团队博士研究生李儒说。

他们在实验中也发现,经过多次弯折虽然不可避免地会有部分钙钛矿的破裂,但钙钛矿整体并不从碳纳米管纤维表面脱落,说明钙钛矿与碳纳米管纤维表面有很强的作用力,界面结合的效果很好。

博士研究生相喜告诉记者,对双股加捻的纤维状钙钛矿太阳能电池而言,加捻的圈数会影响两根纤维的接触电阻、光阻挡面积等,因此也会对最终的太阳能电池效率产生较大的影响。不过双股加捻的纤维状钙钛矿电池最大的优势是可穿戴,未来可以编织成各种各样的织物,应用于智能衣服。基于碳纳米管纤维的钙钛矿太阳能电池,会在不同的光照角度下工作,这种转化效率几乎不随光照角度的变化而变化,使得它更有利于应用于可穿戴织物。

实验结果表明,将这种双股加捻的纤维状钙钛矿太阳能电池弯折1000次,电池的性能几乎没有任何变化,表现出良好的柔性。制备出来的电池的柔性是如此之好,以至于它可以轻易的缠绕在一个直径为0.6 mm的毛细管表面,说明此纤维状的钙钛矿太阳能电池未来可以有效地制备成可穿戴的织物,应用于未来的智能织物中。(来源:中国科学报 郭爽)

 
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