3D激光诱导石墨烯泡沫生成可伸展的微型超级电容器到自供电可穿戴设备

导读：一个在宾夕法尼亚州立大学工程科学和机械系的Huanyu “Larry” Cheng,Dorothy Quiggle Career教授的领导国际研究团队下,发展了一个自动充电的,可伸缩的系统用于可穿戴的健康检测和诊断器件中.该研究团队成员还有来自中国的闽江大学和南京大学的研究人员.

自动充电的,可伸缩的系统用于可穿戴的健康检测和诊断器件中

该研究的主要成果：

•在3D激光诱导石墨烯泡沫中扎根ZnP纳米片的复合电极；

•复合电极呈现出优异的离子/导电性和长期稳定性；

•复合电极的可伸展结构促使可伸缩微型超级电容器阵列(stretchable micro-supercapacitor arrays (MSCAs))；

• MSCAs 的可调节电压/电流的输出可以可逆拉伸至100%；

•具有集成TENG和传感器的MSCAs呈现出一个自动充电的可伸缩系统。

依据来自宾夕法尼亚州立大学国际研究团队的研究结果,一个可伸缩的系统能够从人类的呼吸和运动中汲取能量的用于可穿戴的健康检测的器件,将成为可能.

Graphical Abstract

这一研究团队成员由美国的宾夕法尼亚州立大学和中国的闽江大学和南京大学所组成,他们将这一研究成果发表在期刊《Nano Energy》上.

依据Cheng的研究结果,,当前版本的电池和为可穿戴设备供电的超级电容器和可伸展的健康检测和诊断的器件具有许多缺点,包括能量密度低和非常有限的可伸展性.

这是一种同以前明显不同的可伸展的微型超级电容器到自供电可穿戴设备,但却是非常重要的,Cheng说到,这一研究小组和合作者打算聚焦在发展可穿戴器件的传感器上,当工作在气体传感器和其他可穿戴器件中的时候,我们经常需要整合这些器件同可供电的电池集成在一起.使用微型超级电容器使得我们有能力实现具备自充电能力的传感器,而不需要电池的帮助.

替代电池的解决方案,微型超级电容器是一种能量储存器件,可以补充或替换在可穿戴器件中的锂离子电池.微型超级电容器具有小型化,高功率密度和具备充电和放电迅速的特点.然而,依据Cheng的研究结果,当制造可穿戴器件的时候,传统的当集成可穿戴电子的时候存在具有一个三明治结构的堆垛形态,当集成可穿戴电子的时候存在如下问题,呈现出较差的柔性,长的离子扩散距离和复杂的集成工艺.

这就导致Cheng和他们的团队来开发可替代的结构和集成工艺来充分发挥微型超级电容器在可穿戴器件中的应用.他们发现在蛇纹石中的微型超级电容器细胞的排列,岛桥布置可以允许其排布结构可以拉伸延展和在桥梁处进行弯曲,此时减少微型超级电容器的变形。当组合在一起的时候，该结构变成研究人员所指示的微型超级电容器的排列。

通过使用岛-桥设计的模式来连接细胞单元，微型超级电容器的排列呈现出可延展性增加和允许输出电压的可调节，Cheng说到，这就使得系统可以实现可逆伸展达到100%。

通过使用非层状的，超薄的ZnP纳米片和3D激光诱导石墨烯泡沫，石墨烯泡沫是一种高度多孔，具有自加热的纳米材料，来构建细胞单元的岛-桥设计。Cheng及其团队观察到了电导率的显著提高和吸收的带电离子的数量的明显增加。这证明了这些微型超级电容器的排列可以有效的充电和放电和储存能量以供可穿戴器件的能源供应。

研究人员同时还研究了摩擦电纳米发电机系统，这是一种新兴的技术，可以将机械运动转换成电能。这一组合创造了一个自充电的系统。

当我们使用这一基于摩擦电纳米发电机系统的无线充电模块的时候，我们可以收获基于运动的能量，如当的胳膊肘弯曲或者呼吸和说话的时候，Cheng说到，我们能够使用这些每天的人类的运动来对微型超级电容器进行充电。

可拉伸的纱线嵌入式摩擦纳米发电机作为电子皮肤用于生物力学能量采集和多功能压力传感

通过将3D激光诱导的石墨烯为基础的应变传感器集成在一起，能量储存的微型超级电容器的排列，通过基于摩擦电纳米发电机系统来进行充电，可以对其进行充电，Cheng说到，显著的表明这一系统对可穿戴和可拉伸延展的系统进行供电的潜在可能性。

文章来源: Cheng Zhang et al, High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene foams decorated with mesoporous ZnP nanosheets for self-powered stretchable systems, Nano Energy (2020). DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105609和宾夕法尼亚州立大学

参考文献：A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing”，Advanced Materials，06 September 2018 https://doi.org/10.1002/adma.201804944