本文摘要：設計出一款自供能、可穿戴電子器件具有重大的科學意義和應用前景。 日前，美國賓州州立大學Huanyu Cheng 教授與中國閩江學院Wang Jun 教授等合作，利用柔性可延展的納米發電機與微型超級電容器陣列，實現褶皺石墨烯力學傳感器自供能的設計。 柔性可穿戴電子
設計出一款自供能、可穿戴電子器件具有重大的科學意義和應用前景。 日前，美國賓州州立大學Huanyu Cheng 教授與中國閩江學院Wang Jun 教授等合作，利用柔性可延展的納米發電機與微型超級電容器陣列，實現褶皺石墨烯力學傳感器自供能的設計。
柔性可穿戴電子器件具有質輕、易結合皮膚、能承受力學變形，近年來逐漸在日常生活中嶄露頭角。 然而，目前所采用的傳感器，普遍需要使用外部供能驅動，阻礙了柔性可穿戴設備的優勢發揮。
復合材料論文范例：微米石墨粉/不飽和聚酯樹脂復合材料制備與性能研究
另外，人體從機械運動、關節旋轉等過程能夠產生可用的電能，這就給那些先進的能量收集技術提供了良好的機會。 因此，設計出一款自供能、可穿戴電子器件將具有重大的科學意義和應用前景。
日前，美國賓州州立大學Huanyu Cheng教授與中國閩江學院Wang Jun教授等合作，利用柔性可延展的納米發電機與微型超級電容器陣列實現褶皺石墨烯力學傳感器自供能的設計。
研究人員利用贗電容特性的ZnP(磷化鋅)多孔超薄納米片與激光直寫石墨烯(LIG)復合材料制備了島-橋構型的叉指結構微型超級電容器陣列。 兩種不同儲能機理電極材料的高效復合，實現了電容器在不犧牲功率密度和循環壽命的條件下大幅提升其能量密度。 借助微型超級電容器陣列的串聯/并行的方式，有效地調控了儲能系統的輸出電壓/電流。
此外，研究人員利用預拉伸策略構建了基于褶皺金的納米發電機和基于少數層褶皺石墨烯的力學傳感器，并獲得了納米發電機和力學傳感器的柔性可延展特性，為設計高性能柔性可延展電子器件提供了新的設計思路。
研究人員發現，利用整流技術，基于柔性可延展的納米發電機、微型超級電容器陣列驅動的力學傳感器表現出優異的機電性能，其應變靈敏系數高達354。 這一策略就為開發自供能、柔性可延展電子器件鋪平了道路。
激光誘導石墨烯(Laser Induced Graphene，簡寫為LIG)自2014年發現以來，在各個領域激起了廣泛的研究興趣，包括對形成機制的探究，制備方法的探索以及在能源、傳感、環境、催化等眾多領域的應用。 在自然外界環境條件下，LIG可以通過使用激光器在碳前體材料上直接寫入制備，將材料制備和器件制備結合，不需要傳統的濕化學步驟，實現低成本圖案化多孔石墨烯儲能器件的制備。 LIG具有優良的導電性、制備過程精確控制等眾多優勢，其應用已從超級電容器和微型超級電容器擴展到廣泛的儲能器件領域，如鋰金屬電池、鋅-空氣電池和燃料電池等。 通過優化激光設置參數、電沉積或電活性物質的摻雜，利用不同氣氛和調節濃度實現微觀結構的可控生長，基于LIG的儲能器件的電化學性能可以進一步提高。
依據Cheng教授等人的研究成果,當制造可穿戴器件的時候,傳統的集成可穿戴電子設備存在一個三明治結構的堆垛形態,呈現出較差的柔性,較長的離子擴散距離和復雜的集成工藝。 而研究人員的解決方案,是利用微型超級電容器作為能量儲存器件,可以補充或替換在可穿戴器件中的鋰離子電池，因為微型超級電容器具有小型化、高功率密度、充電和放電迅速等特點。
研究人員發現在蛇紋石中的微型超級電容器細胞的排列,島-橋布置可以允許其排布結構可以拉伸延展和在橋梁處進行彎曲,此時可減少微型超級電容器的變形。 當組合在一起的時候，該結構變成研究人員所指示的微型超級電容器的排列。 通過使用島-橋設計的模式來連接細胞單元，微型超級電容器的排列呈現出可延展性增加和允許輸出電壓的可調節。
Cheng教授表示，這就使得系統可以實現可逆伸展達到100%。 通過使用非層狀、超薄的ZnP納米片和3D激光誘導石墨烯泡沫，石墨烯泡沫是一種高度多孔，具有自加熱的納米材料，用以構建細胞單元的島-橋設計。
研究人員觀察到了電導率的顯著提高和吸收的帶電離子數量的明顯增加。 這證明了這些微型超級電容器的排列可以有效地充電與放電，其儲存的能量足夠可穿戴器件的能源供應。 研究人員同時還研究了摩擦電納米發電機系統，這是一種新興的技術，可以將機械運動轉換成電能。 這一組合創造了一個自充電的系統。
Cheng教授表示：“當我們使用這一基于摩擦電納米發電機系統的無線充電模塊的時候，我們可以收獲基于運動的能量，比如胳膊肘彎曲、呼吸或說話時，我們能夠使用這些人類每天的運動來為微型超級電容器進行充電。 ”
Cheng教授列舉了一組數據證明，ZnP@LIG混合電極的優越電化學性能。 ZnP@LIG混合電極在1Ag-1時容量為1425 Fg-1，在30Ag-1時容量為926 Fg-1，在Na2SO4水溶液電解液中5000次循環后容量保持為68.5%。 相比同類混合電極，性能更為出色。
此外，將島-橋布局的平面MSCAs以串行/并行方式連接，可形成具有優越能量密度和定制電壓/電流的多功能可伸縮能源輸出，并表現出穩定的對抗彎曲和拉伸變形。
故此，島-橋構型的平面微型超級電容器陣列的設計思路，為構建高性能柔性可延展電源奠定了結構基礎。研究團隊考慮通過設計柔性可延展納米發電機將人體機械能傳化為電能，并將其存儲于柔性可延展微型超級電容器陣列，從而實現基于褶皺石墨烯的力學傳感器的自供能。
Cheng教授表示：“可伸縮MSCAs(平面微型超級電容器陣列)已與基于褶皺石墨烯的可伸縮應變傳感器集成在一起，集成后的傳感器表現出優異的傳感系數。 這種MSCAs陣列還能為設計柔性傳感器提供研究平臺，有望與溫度傳感器、血氧傳感器、血糖傳感器、心率傳感器等電子器件構建成為綜合傳感系統，進而為構筑自供能、柔性可延展傳感系統提供新型設計思路。 ”
作者：李雨蒙
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