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复旦大学彭慧胜课题组在高分子基纤维状能源器件研究领域取得重要进展

日期 2014-07-07   来源:化学科学部   作者:董建华  【 】   【打印】   【关闭

  在国家自然科学基金委(资助号20904006、91027025、21225417)等项目的资助下,复旦大学彭慧胜课题组在高性能纤维状新能源高分子复合材料和器件领域取得了一系列重要突破,这些成果适应于现代电子技术微型化、集成化和柔性化的发展要求。

  他们以具有优异力学和电学性能的取向碳纳米管和高分子/取向碳纳米管复合纤维为电极,发展出新型纤维状太阳能电池、超级电容器和锂离子电池,提出并发展了可以同时实现利用太阳能通过光电转换发电和利用该复合体系储存电能的纤维状集成器件。与传统的平面状能源器件相比,直径在微米尺度的纤维状太阳能器件具有质量更轻、柔性更好、集成性更强等优势,更为独特的是可以通过纺织技术进行大规模、低成本制造,便于应用。

  基于该课题组在高分子/碳纳米管复合纤维材料研究方面的积累和基础,他们以取向碳纳米管复合纤维或高分子基复合纤维为电极,对两个纤维电极进行缠绕,分别发展出纤维状染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池。发现新型纤维电极具有三维跃迁导电模式,可以有效促进电荷的快速分离和传输,从而获得高效率的太阳能电池。他们设计的高度均匀取向碳管纤维确保高效率的电荷传输,比目前文献已有的其他工作更有效。经第三方认证,他们发展的纤维状太阳能电池其光电转化效率达到8.45%。这是目前文献纤维状太阳能电池的最高效率。在此基础上,他们还提出并发展了具有弹性的纤维状染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池,能满足柔性电子学的发展要求。

  精细纳米结构的复合纤维电极具有比表面积高和电学性能优异等特点,可以同时作为超级电容器和锂离子电池的活性物质和集流体。彭慧胜课题组把包裹电解液的高分子复合纤维相互缠绕可直接制备纤维状储能器件,并通过复合导电聚合物或者金属氧化物等有效提高纤维状器件的电化学性能。另外,为了满足纤维状器件在集成和编织过程中可拉伸的要求,他们又把弹性高分子纤维与取向碳纳米薄膜复合,提出并发展了可拉伸纤维状超级电容器和锂离子电池。论文发表后(Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 13453),《自然》以“储能弹性纤维”为题进行了专门报道(Nature,2013, 504, 10);2013年12月美国材料研究学会在其官方主页以头版头条进行了专题报道。可拉伸锂离子电池的代表性工作(Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.201402388),被《自然》以“可拉伸锂离子电池织物”为题进行了专门报道(Nature,2014, 510, 314)。

  为了进一步满足微电子产品高度集成化和微型化的发展要求,彭慧胜课题组在纤维状太阳能电池和超级电容器的研究基础上,提出并发展了纤维状光电转换与储能集成器件。在典型的纤维状集成器件中,光电转换和能量存储单元共享纤维电极,其中纤维电极的一端涂有光电转换活性物质,另一端涂有电化学储能材料,通过简单且低成本的方法,在一根纤维上同时实现光电转换和储能(Angew. Chem. Int. Ed.2012, 51, 11977),在全纤维状能源系统迈出了关键一步,为发展下一代光伏器件指出了富有前景的新方向。

图1 太阳能电池和超级电容器集成器件示意图

  由于纤维状的电极材料和能源器件具有独特的结构和性能,彭慧胜课题组将其进行编织,得到织物状能源器件。他们主要通过两种方法实现连续构建:一方面,通过对纤维状能源器件进行编织,得到大面积的织物状太阳能电池、锂离子电池、超级电容器以及光电转换与储能的集成器件;另一方面,基于纤维电极的高度取向纳米结构和良好的柔性,可以将其编成织物作为高性能电极,然后两个织物电极堆叠得到织物状能源器件。成果发表后(Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 6110),《科学》以“太阳能电池织物”为题进行了专门报道(Science,2014, 344, 986)。

  彭慧胜课题组在纤维状能源器件方面的一系列重要研究成果的同时,所培养的研究生们14次获得国际和国家学术奖励,如2013年博士生仰志斌获得了美国材料研究学会(Materials Research Society)优秀博士生奖,2014年博士生孙雪梅获得了国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)国际青年化学家奖(Honorable Mention Awards)。

  上述研究成果已在国际学术期刊上发表论文70多篇,包括Nature Nanotechnology,Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Phys.Rev.Lett.等国际重要学术期刊的有30多篇。申请发明专利30多件,其中2件美国和15件国内发明专利已获授权。该系列成果发表后,获得国际同行广泛关注与好评,如2次被Science、2次被Nature、6次被Nature子刊以“研究亮点”等专题报道;3次被Angew. Chem. Int. Ed.选入VIP论文或热点论文并进行专题新闻发布。发表在(Nature Nanotechnology,2009, 4, 738)上复合纤维思路与方法被国际上多个研究组跟进与采用。

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