微纳分级结构氧化物半导体材料的可控制备及太阳能转化与存储纤维状器件的研究

The world has an upsurge in the research of wearable technology and the development of the flexible energy devices has been an important topic. Fiber devices has been the focus because the lighter mass, better flexibility and easier integration. Now, it also faces some challenges, including low conversion efficiency, low energy storage density, difficult integration in single fibers, bad mechanical stability, and difficult liquid electrolyte sealing. In the past 5 years, I have worked a lot on the flexible supercapacitor and related topics, published 19 SCI papers (IF>8.0) including Nano Lett as corresponding authors, and received positive feedback from Profs. Yi Xie, PM Ajayan, etc. I intend to adopt multiple types of flexible conducting fibers as substrates, fabricate a new type of fiber electrodes based on hierarchical micro/nano-structured metal oxide semiconductors, then sensitize with dyes or load with energy-storage active materials, and obtain solar energy conversion and storage electrodes, respectively, laying the foundation for single fiber device integration; clarify the nucleation and growth mechanisms; identify surface/interface enhanced device performance mechanism; illustrate the key issues of mechanical stability by mechanical simulation; reduce the sealing difficulty by using solid electrolyte; finally obtain the “smart energy garment” with good performance.

世界范围兴起了可穿戴技术的研究热潮，开发柔性能源器件成为重要一环。纤维状器件具有质量更轻、柔性更好、可集成等优点，受到学术界的关注。目前纤维状能源器件也面临着一些挑战：如器件的转化效率和存储密度均低，集成在同一根纤维上的难度高，动态弯曲的稳定性差，液态电解质难封装等。近5年，申请者在柔性超级电容器等方向做了大量前期研究工作，以通讯作者发表Nano Lett等IF>8.0文章19篇，成果得到了谢毅院士、PM Ajayan院士等学者的正面引用或评论。申请者拟利用多种柔性导电纤维基底，构建一类新型的基于氧化物半导体微纳分级结构的纤维电极，然后染料敏化或者负载储能活性材料，分别获得太阳能转化和存储的电极，为同根集成器件奠定理论和工艺基础；阐明微纳分级结构的成核生长机制和多种表界面对提升器件性能的机理；通过力学模拟揭示机械稳定性的关键问题；采用固态电解质降低封装难度；获得较佳性能的“智能能源衣服”。

随着可穿戴技术的研究热潮在全球范围兴起，开发高性能柔性能源器件成为重要一环。本项目对微纳半导体分级结构材料与能源转化与存储器件进行深入研究，取得了一些具有重要意义的成果，能够对各类过渡金属化合物的微纳结构进行可控设计和制备，作为柔性织物储能器件的电极材料，进一步结合柔性器件弯曲及静态下的力学模型分析，阐明活性材料与纤维两者间的界面调控对纤维状器件力学稳定性能的影响规律，通过构建多种不同组合类型的柔性可穿戴的光电转化-存储一体化自驱动系统，进一步探究了光能转化与存储器件之间协同的关键因素。重要结果包括：1. 开发出全新的等离子共振增强型倾斜光纤光栅超高灵敏传感技术，并将该技术用于能量高度密集的等离子体共振场汇聚于头发丝大小的光纤波导上，可实现对储能设备电极表面纳米尺度范围内的自由电子、离子局域密度场的超高精度检测，从而原位检测储能设备的工作状态，实时读取储能设备工作状态下的电流、电势、电容、温度等重要工作参数信息，为使用者提供储能设备全面的健康状态信息；2 设计了Ni@NiCoP分级结构材料，通过对纤维储能器件进行可编织，可拉伸化，制备出高能量密度的纺织用品。同时该器件与柔性太阳能电池配合集成于衣服上，可形成一个自供电的工作系统，实现了良好的可穿戴兼容性；3利用尿素基光催化燃料电池和非对称微型超级电容器（采用NiCoP@NiOOH分级微纳结构为电极材料）组成的柔性一体化能源芯片构筑在同一平面上，微型器件由四个光催化燃料电池和两个非对称超级电容组成，可实现微型集成的构筑，为小型便携式电子设备提供动力。在本项目的经费资助下，还扩充了研究内容，对钾/锌离子电池中的一些关键问题，电致变色智能窗的设计与变色机理以及光电探测器与计算成像相结合等领域进行了一些前沿性的探索，也取得可喜的阶段性成果。在本项目的支持下，发表SCI论文60篇，其中ESI高被引论文2篇，影响因子超过10.0的有25篇，获批发明专利3项，申请发明专利6项，培养了王子龙等多位青年骨干教师和袁渝斐、刘于金等多名研究生，完成任务书上的各项指标。