本文摘要：設(shè)計(jì)出一款自供能、可穿戴電子器件具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。 日前，美國(guó)賓州州立大學(xué)Huanyu Cheng 教授與中國(guó)閩江學(xué)院Wang Jun 教授等合作，利用柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)與微型超級(jí)電容器陣列，實(shí)現(xiàn)褶皺石墨烯力學(xué)傳感器自供能的設(shè)計(jì)。 柔性可穿戴電子
設(shè)計(jì)出一款自供能、可穿戴電子器件具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。 日前，美國(guó)賓州州立大學(xué)Huanyu Cheng 教授與中國(guó)閩江學(xué)院Wang Jun 教授等合作，利用柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)與微型超級(jí)電容器陣列，實(shí)現(xiàn)褶皺石墨烯力學(xué)傳感器自供能的設(shè)計(jì)。
柔性可穿戴電子器件具有質(zhì)輕、易結(jié)合皮膚、能承受力學(xué)變形，近年來(lái)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(qū)動(dòng)，阻礙了柔性可穿戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮。
復(fù)合材料論文范例：微米石墨粉/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料制備與性能研究
另外，人體從機(jī)械運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)等過(guò)程能夠產(chǎn)生可用的電能，這就給那些先進(jìn)的能量收集技術(shù)提供了良好的機(jī)會(huì)。 因此，設(shè)計(jì)出一款自供能、可穿戴電子器件將具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
日前，美國(guó)賓州州立大學(xué)Huanyu Cheng教授與中國(guó)閩江學(xué)院Wang Jun教授等合作，利用柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)與微型超級(jí)電容器陣列實(shí)現(xiàn)褶皺石墨烯力學(xué)傳感器自供能的設(shè)計(jì)。
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(xiě)石墨烯(LIG)復(fù)合材料制備了島-橋構(gòu)型的叉指結(jié)構(gòu)微型超級(jí)電容器陣列。 兩種不同儲(chǔ)能機(jī)理電極材料的高效復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了電容器在不犧牲功率密度和循環(huán)壽命的條件下大幅提升其能量密度。 借助微型超級(jí)電容器陣列的串聯(lián)/并行的方式，有效地調(diào)控了儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓/電流。
此外，研究人員利用預(yù)拉伸策略構(gòu)建了基于褶皺金的納米發(fā)電機(jī)和基于少數(shù)層褶皺石墨烯的力學(xué)傳感器，并獲得了納米發(fā)電機(jī)和力學(xué)傳感器的柔性可延展特性，為設(shè)計(jì)高性能柔性可延展電子器件提供了新的設(shè)計(jì)思路。
研究人員發(fā)現(xiàn)，利用整流技術(shù)，基于柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)、微型超級(jí)電容器陣列驅(qū)動(dòng)的力學(xué)傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)電性能，其應(yīng)變靈敏系數(shù)高達(dá)354。 這一策略就為開(kāi)發(fā)自供能、柔性可延展電子器件鋪平了道路。
激光誘導(dǎo)石墨烯(Laser Induced Graphene，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)IG)自2014年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域激起了廣泛的研究興趣，包括對(duì)形成機(jī)制的探究，制備方法的探索以及在能源、傳感、環(huán)境、催化等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。 在自然外界環(huán)境條件下，LIG可以通過(guò)使用激光器在碳前體材料上直接寫(xiě)入制備，將材料制備和器件制備結(jié)合，不需要傳統(tǒng)的濕化學(xué)步驟，實(shí)現(xiàn)低成本圖案化多孔石墨烯儲(chǔ)能器件的制備。 LIG具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、制備過(guò)程精確控制等眾多優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用已從超級(jí)電容器和微型超級(jí)電容器擴(kuò)展到廣泛的儲(chǔ)能器件領(lǐng)域，如鋰金屬電池、鋅-空氣電池和燃料電池等。 通過(guò)優(yōu)化激光設(shè)置參數(shù)、電沉積或電活性物質(zhì)的摻雜，利用不同氣氛和調(diào)節(jié)濃度實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)，基于LIG的儲(chǔ)能器件的電化學(xué)性能可以進(jìn)一步提高。
依據(jù)Cheng教授等人的研究成果,當(dāng)制造可穿戴器件的時(shí)候,傳統(tǒng)的集成可穿戴電子設(shè)備存在一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)的堆垛形態(tài),呈現(xiàn)出較差的柔性,較長(zhǎng)的離子擴(kuò)散距離和復(fù)雜的集成工藝。 而研究人員的解決方案,是利用微型超級(jí)電容器作為能量?jī)?chǔ)存器件,可以補(bǔ)充或替換在可穿戴器件中的鋰離子電池，因?yàn)槲⑿统?jí)電容器具有小型化、高功率密度、充電和放電迅速等特點(diǎn)。
研究人員發(fā)現(xiàn)在蛇紋石中的微型超級(jí)電容器細(xì)胞的排列,島-橋布置可以允許其排布結(jié)構(gòu)可以拉伸延展和在橋梁處進(jìn)行彎曲,此時(shí)可減少微型超級(jí)電容器的變形。 當(dāng)組合在一起的時(shí)候，該結(jié)構(gòu)變成研究人員所指示的微型超級(jí)電容器的排列。 通過(guò)使用島-橋設(shè)計(jì)的模式來(lái)連接細(xì)胞單元，微型超級(jí)電容器的排列呈現(xiàn)出可延展性增加和允許輸出電壓的可調(diào)節(jié)。
Cheng教授表示，這就使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可逆伸展達(dá)到100%。 通過(guò)使用非層狀、超薄的ZnP納米片和3D激光誘導(dǎo)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(gòu)建細(xì)胞單元的島-橋設(shè)計(jì)。
研究人員觀察到了電導(dǎo)率的顯著提高和吸收的帶電離子數(shù)量的明顯增加。 這證明了這些微型超級(jí)電容器的排列可以有效地充電與放電，其儲(chǔ)存的能量足夠可穿戴器件的能源供應(yīng)。 研究人員同時(shí)還研究了摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，這是一種新興的技術(shù)，可以將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能。 這一組合創(chuàng)造了一個(gè)自充電的系統(tǒng)。
Cheng教授表示：“當(dāng)我們使用這一基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的無(wú)線充電模塊的時(shí)候，我們可以收獲基于運(yùn)動(dòng)的能量，比如胳膊肘彎曲、呼吸或說(shuō)話時(shí)，我們能夠使用這些人類每天的運(yùn)動(dòng)來(lái)為微型超級(jí)電容器進(jìn)行充電。 ”
Cheng教授列舉了一組數(shù)據(jù)證明，ZnP@LIG混合電極的優(yōu)越電化學(xué)性能。 ZnP@LIG混合電極在1Ag-1時(shí)容量為1425 Fg-1，在30Ag-1時(shí)容量為926 Fg-1，在Na2SO4水溶液電解液中5000次循環(huán)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(yōu)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(xiàn)出穩(wěn)定的對(duì)抗彎曲和拉伸變形。
故此，島-橋構(gòu)型的平面微型超級(jí)電容器陣列的設(shè)計(jì)思路，為構(gòu)建高性能柔性可延展電源奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)考慮通過(guò)設(shè)計(jì)柔性可延展納米發(fā)電機(jī)將人體機(jī)械能傳化為電能，并將其存儲(chǔ)于柔性可延展微型超級(jí)電容器陣列，從而實(shí)現(xiàn)基于褶皺石墨烯的力學(xué)傳感器的自供能。
Cheng教授表示：“可伸縮MSCAs(平面微型超級(jí)電容器陣列)已與基于褶皺石墨烯的可伸縮應(yīng)變傳感器集成在一起，集成后的傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感系數(shù)。 這種MSCAs陣列還能為設(shè)計(jì)柔性傳感器提供研究平臺(tái)，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(gòu)建成為綜合傳感系統(tǒng)，進(jìn)而為構(gòu)筑自供能、柔性可延展傳感系統(tǒng)提供新型設(shè)計(jì)思路。 ”
作者：李雨蒙
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