基于动电效应的碳纳米材料自储能器件的研究进展

2020-03-20刘汝浩胡伟科深圳大学中国经济特区研究中心广东深圳518061深圳市高新投集团有限公司发展研究中心广东深圳518000

化工管理 2020年6期

刘汝浩胡伟科（1．深圳大学中国经济特区研究中心，广东深圳518061；．深圳市高新投集团有限公司发展研究中心，广东深圳518000）

基于动电效应，人们探索将各种能量转化为电能。基于动电效应的自储能器件可被称为动电自储能器件，其核心是基于动电效应实现发电，并由能量储存材料将电能储存起来。

以碳纳米管、石墨烯为代表的碳纳米材料在自储能器件领域显现出了巨大的应用潜力。基于动电效应的碳纳米材料自储能器件（electrokinetic carbon nanomaterial self-powered de⁃vice，简称EK-CNSPD）相关研究快速推进。本文从发电原理出发，综述了近年来EK-CNSPD 研究进展，并对EK-CNSPD 的发展前景做出了展望。

1 由蒸发驱动发电的EK-CNSPD

Liu等人以碳纳米管/聚苯胺复合材料作为电极活性物质、以聚乙烯醇凝胶为电解液，制备了由蒸发驱动发电的EKCNSPD1（图1a）。该EK-CNSPD 拥有三明治夹心结构，由顶部电极、凝胶电解液、底部电极三部分组成，并且在电极材料、凝胶电解液内部存在丰富的毛细管。随着顶部电极的液体不断蒸发，在毛细作用下，液体持续从底部电极经过凝胶电解液流向顶部电极，形成定向的液体流动。由于液体和固体材料之间的动电效应，液体的定向流动导致两个电极之间形成流动电流/流动电动势，实现蒸发驱动发电。另外，在开路状态下，流动电流导致电荷在两个电极附近累积，而碳纳米管/聚苯胺复合材料具有巨大的双电层电容和赝电容，实现电能的储存；当接通外部负载时，该EK-CNSPD 可将所储存的电能释放出来。因此，在蒸发驱动液体流动下，该EK-CNSPD 可以实现发电和电能储存，而且当外部负载为100Ω时，该EK-CNSPD对外输出的最大电流为1.65mA。

2 由重力驱动发电的EK-CNSPD

Gao等人以碳纳米管/聚合物复合材料为电极活性物质，制备了纸状的、由重力驱动发电的CNSPD2（图1b）。当该EKCNSPD 被水平放置时，在重力的作用下，该EK-CNSPD 内部自发形成自上而下的液体定向流动；由于液体和固体材料之间的动电效应，在该EK-CNSPD两个电极之间形成流动电流/流动电动势。另外，当把该EK-CNSPD 翻转之后，由重力驱动实现发电的现象得到了较好的重复。在温度为24℃、相对湿度为60%的环境中，该EK-CNSPD对外最大输出0.15V的电压。

图1.多种EK-CNSPD示意图。a）由蒸发驱动发电的EK-CNSPD1；b）由重力驱动发电的EK-CNSPD2；c）由外部湿度差异驱动发电的EKCNSPD3；d）由湿润空气驱动发电的EK-CNSPD4。

3 由外部湿度差异驱动发电的EK-CNSPD

Must等人以具有纳米结构的碳材料为电极、全氟磺酸膜为隔膜、离子液体为电解液，制备了由外部湿度差异驱动发电的EK-CNSPD3（图1c）。该EK-CNSPD的所有材料具有亲水性，能够从环境中吸收水分、并允许水分在其内部扩散；两个电极处于不同湿度的环境时，吸水速率不同，导致水分从高湿度电极向低湿度电极扩散，从而形成定向的液体流动，并在动电效应作用下，形成电流/电动势。同时，该EK-CNSPD 的碳材料电极具有超级电容器的特性，能够将产生的电能储存起来。

4 由湿润空气驱动发电的EK-CNSPD

与Must 等人的工作不同，Luo 等人使用聚乙烯醇凝胶将两片碳纳米管电极连接起来，并在其中一个电极上复合了氯化钙，从而制备了由湿润空气驱动发电的EK-CNSPD4（图1d）。已知氯化钙具有极好的吸湿能力，因此，在同样的外部湿度环境中，碳纳米管/氯化钙复合电极比碳纳米管电极拥有更强的吸湿能力，导致碳纳米管/氯化钙复合电极上的部分氯化钙吸水、溶解，而氯离子、钙离子在该EK-CNSPD 内部存在明显的浓度差异，因此，氯离子、钙离子在离子浓度梯度的作用下从碳纳米管/氯化钙复合电极向碳纳米管电极方向扩散，并在动电效应作用下，形成电流/电动势。同时，该EK-CNSPD 的碳纳米管电极将产生的电能储存起来。在相对湿度为80%的环境下，该EKCNSPD 对外可输出0.348V 的电压，最大功率输出为0.243mW/cm2。