Fabrication of self-powered flexible energy harvesting and storage devices based on composite nanoarchitectures
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan University, 2022
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan University : Interdisciplinary Course of Physics and Chemistry 2022. 8
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
xvi, 170 p. : ill., charts ; 30 cm
일반주기명
Adviser: Dae Joon Kang
Includes bibliographical reference
UCI식별코드
I804:11040-000000171546
DOI식별코드
소장기관
Over the last few decades, extensive global efforts have resulted in remarkable progress with energy harvesters that harvest mechanical energy from environmental sources, convert it into electrical energy, and use it in systems such as mobile electronic devices, wireless sensor nodes, wristwatches, health monitoring, and biosensors. Integrating energy harvesting and storage processes to produce uninterruptible, small (microwatt to milliwatt) self-charging power units for these portable gadgets is a cutting-edge research field. However, the generated power, poor mechanical stability, and environmental instability of these integrated devices are still insufficient to power portable electronics. In addition, energy harvesting and its storage are two different fields of renewable energy that can be achieved using two different devices, separately. The hybridization of these two energy-related technologies has raised several outstanding issues in terms of the weight, size of the device, and complex working mechanisms. A rectifier-based circuit is always required to convert the obtained AC into a DC signal for storage purposes, which leads to unnecessary energy loss due to an inevitable increase in internal resistance and reduction in the integration density of the fabricated power source.
In an attempt to overcome the aforementioned outstanding issues, I explored multifunctional (PVDF/rGO/ZnO and MnO2/rGO) composite nanoarchitectures for rectifier-free integration of energy harvesting and storage devices. PVDF is one of the most attractive electroactive polymers which can be used as an excellent candidate for piezoelectric devices. However, obtaining pure beta (β) phase in PVDF to attain high piezoelectric potential is one of the major challenges. I proposed addition of nanofillers in PVDF to extract their critical role in producing pure ‘β’ phase. The oxygenated functional groups in reduced graphene oxide (rGO) nanofillers repel the fluoride groups in PVDF and significantly enforce the fluoride groups of PVDF to retain it in the ‘β’ phase. To explore the piezoelectric properties in multifunctional PVDF-based composite structures, I synthesized the PVDF/rGO/ZnO-based composite matrix and applied this matrix to fabricate a rectifier-free self-charging device. Multifunctional PVDF/rGO/ZnO composite film not only acts as a separator but also performs as a piezoelectric matrix. The as-fabricated supercapacitor-based power unit (SCPU) produced the maximum output voltage, current density, and peak-peak power density of about 44 V, 1000 nAcm-2, and 44 µWcm-2 under the applied mechanical force of 10 N, respectively.
Although the fabrication of self-charging devices is an interesting area of research, the power output and environmental stability of these devices are still far from satisfaction to reliably operate portable gadgets. Unfortunately, the self-charging devices based on piezoelectric mechanisms have not been successful in producing sufficient power to operate modern sensors and mobile electronic devices. In addition, the instability of the devices against humidity remains a big challenge. To solve the abovementioned problems, I explored the chemical modification of MXene (Ti3C2Tx) to fabricate hydrophobic triboelectric surfaces and environmentally stable triboelectric energy harvesting devices. The F-MXene-based TENGs demonstrated great environmental stability and better output performance than PVDF-based PENG devices for practical applications. Moreover, I resolved the issue of the limited choice of energy harvesting materials by making MXene-based triboelectric pairs through a chemical functionalization strategy. The maximum voltage, current density and power density of about 105 V, 10 uA/cm2 and 1.05 mW/ cm2 were obtained from the as-fabricated triboelectric device, respectively.
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