研究人员开发出可变形石墨烯基液态金属微型超级电容器

( Nawerk Spotlight ) 可穿戴技术的出现带来了对能够与软电子设备的灵活性和可拉伸性保持同步的能量存储解决方案的迫切需求。事实证明，传统的刚性电池和超级电容器不足以无缝集成到必须符合人体并承受日常使用压力的可穿戴设备中。能量存储和设备灵活性之间的不匹配阻碍了健康监测、智能纺织品和生物医学植入等领域的进展。

微型超级电容器（MSC）因其高功率密度、快速充电和长循环寿命而成为可变形储能的有前途的候选者。然而，事实证明，使用能够承受反复拉伸和扭曲的材料来创建高性能 MSC 所需的复杂叉指电极图案具有挑战性。尽管研究人员通过创造性的图案化和弹性基材在增强灵活性方面取得了长足的进步，但许多方法需要复杂的制造，并且在极端变形的情况下仍然会失败。

现在，由韩国工业技术研究所的 Chanwoo Yang 博士和浦项科技大学的Jin Kon Kim 教授领导的一项合作研究已经找到了一个潜在的解决方案。在《npj Flexible Electronics》杂志上发表的论文（“Deformable micro-supercapacitor fabricated via laser ablation patterning of Graphene/liquid metal” ）中，该团队详细介绍了在弹性聚合物基板上使用液态金属集电器制造基于高度可变形石墨烯的MSC的过程。

a包含软电子器件和可变形储能组件的集成系统的图示。b EGaIn基MSC的制造工艺。c SEBS、EGaIn 和石墨烯的紫外-可见光谱。激光烧蚀d石墨烯/EGaIn 和e EGaIn 的 FE-SEM 图像（比例尺 = 200 µm）。f研究所徽标、g变形徽标和h连接到 MSC 电路的 LED的照片（比例尺 = 1 厘米）。（图片来源：© npj 柔性电子）

关键的创新在于使用共晶镓铟（EGaIn）（一种液态金属合金）作为集流体。“为了实现可变形 MSC，需要可变形集电器，”Kim 向 Nanowerk 解释道。“然而，常用的集流体是由金（Au）等脆性材料制成的。为了解决这个问题，我们选择了本质上具有液体和金属导电性的‘液态金属’。”

制造过程首先将 EGaIn 薄膜涂覆到可拉伸的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 基板上，然后沉积石墨烯层作为活性电极材料。研究人员利用激光选择性地烧蚀石墨烯和 EGaIn 以获得叉指图案，利用这些材料相对于透明 SEBS 的强激光吸收能力。通过仔细调整激光强度，他们可以在不损坏下面的弹性基材的情况下实现精确的图案化。

事实证明，材料的选择对于这种方法的成功至关重要。“我们利用液态金属对激光波长的出色吸收，成功地实现了液态金属的图案化，”Kim 指出。“此外，通过调整激光的强度，我们防止了激光引起的热量对基板造成的损坏，而石墨烯和液态金属都被激光烧蚀了。”

SEBS 基板不吸收激光波长，可以承受烧蚀过程中产生的热量，从而可以创建电极间隙小至 90 µm 的高分辨率图案。

由此产生的 MSC 表现出令人印象深刻的性能，实现高达 1336 µF cm -2的面积电容，同时保持良好的倍率能力。重要的是，即使经过 1000 次变形循环，这些器件在各种机械变形（包括折叠、起皱、扭曲和拉伸）下也没有表现出明显的退化。

Kim 强调说：“使用液态金属集电器的 MSC 在各种机械变形下，甚至在反复变形后，其储能性能都没有变化。”他强调了这些设备为可穿戴和柔性电子产品提供动力的潜力。

为了展示 MSC 的实际潜力，研究人员将一系列设备与发光二极管集成在一起，创建了一个可拉伸的照明系统。该系统在严重弯曲、扭曲和拉伸的情况下仍保持稳定运行，展示了 MSC 为可变形电子设备可靠供电的能力。

展望未来，Kim 和 Yang 看到了进一步改进的空间以及未来应用的令人兴奋的可能性。他们指出：“在间充质干细胞领域，同时实现高能量密度和高变形能力仍然是一个重大挑战。” “这是因为，在机械变形过程中，不仅要很好地保持集流体和活性材料之间的界面，而且还必须提高活性材料本身的能量密度。因此，这个问题应该得到解决。”

虽然需要做额外的工作来增强这些 MSC 中使用的凝胶电解质的机械耐久性，但激光图案化液态金属电极的使用代表了真正可变形储能解决方案的开发向前迈出了重要一步。随着可穿戴技术的不断发展，此类创新将在确保我们的设备能够适应我们动态生活方式的需求方面发挥至关重要的作用。

从监控我们健康状况的智能服装到随我们身体弯曲的生物医学植入物，可穿戴电子产品的未来将依赖于不仅紧凑、功能强大，而且像我们一样灵活的储能系统。凭借液态金属导体、弹性基底和高电化学性能的独特组合，基于石墨烯的 MSC 为未来提供了令人兴奋的一瞥，扩展了可穿戴能源存储的可能性界限。随着这一领域研究的进展，我们可以期待新一代可穿戴设备能够与我们的生活无缝融合，并由永远不会阻碍我们的可变形能量存储解决方案提供支持。