江苏大学《AMT》：综述！激光诱导石墨烯实现灵活的能量收集和存储电子的最新进展与展望

成果简介

能量收集和存储设备在柔性电子领域发挥着越来越重要的作用。激光诱导石墨烯（LIG）具有分层多孔性、大比表面积、高导电性和机械柔韧性，是制造为其他电子元件供电的柔性能源设备的理想候选材料。通过可设计路线的简单激光辐照过程，丰富的前驱体（或基底）可迅速转化为图案化的 LIG，而无需任何其他处理。通过控制加工策略和参数，可以调节 LIG 的结构和物理化学特性，从而优化器件性能。激光划线法作为一种非接触式的原位技术，被证明能有效地集成不同的基于 LIG 的器件，从而形成一体化的柔性动力平台。

图1、基于LIG的灵活自供电平台，由TENG、MEG、MSC、电池和传感器组成。

本文，江苏大学杨杰 副教授、北京航空航天大学 俞佳杰、中国科学院化学研究所 于贵 研究员等在《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》期刊发表名为“Laser-Induced Graphene Toward Flexible Energy Harvesting and Storage Electronics”的论文，研究总结了基于 LIG 的柔性能源电子器件的最新进展。通过阐明相应的机制和加工策略，介绍了 LIG、功能 LIG 和三维架构的可控合成。还对基于 LIG 的柔性能源转换和存储设备进行了全面回顾。最后，简要讨论了基于 LIG 的材料在柔性能源转换和存储方面所面临的挑战和机遇。

图文导读

 2.1 LIG的可控合成

通过精确控制其形貌和合成条件，可以生产出性能优异、应用广泛的锂离子。因此，人们致力于了解LIG的形成机理，并为控制LIG的理化性质提供指导。此外，还优化了加工策略，进一步调控了形貌和表面特性，从而产生了各种功能材料。

图1、通过调节生产条件和参数来控制LIG的可控合成。

图2、a) 由含硼酸的 PI 片制备的掺 B LIG；b) 掺 B LIG 的 C1s 和 B1s XPS 光谱。c) 嵌在 LIG 中的铂纳米粒子的原位合成，d) 铂纳米粒子的插图和 TEM 图像。e) 金属包埋 LIG 的制造和形成过程示意图；f) Ag 包裹LIG 的 TEM 图像和 XPS 光谱。

2.2 LIG 在新兴柔性发电机中的应用

在过去几年中，人们对开发从人类和环境中获取能量的发电机越来越感兴趣。基于石墨烯的发电机在将自然能源（如光、热、机械运动和水分）转化为电能方面显示出巨大潜力，为 LIG 在能源转换领域的应用提供了重要指导。锂极板已被用于制造可将机械能转化为脉冲交流电的柔性 TENG 电极。通过将 LIG 电极集成到 TENG 结构中，研究人员提高了能量转换效率和功率输出方面的性能。除 TENG 外，研究人员还制备了具有梯度结构和表面特性的 LIG，用于制造从湿气中获取能量并产生连续直流输出的 MEG。这些发电机的开发为实现自供电柔性平台铺平了道路。

图3、a） 带有 LIG 电极的三种不同模式 TENG 的示意图：介质-导体、介质-电介质和单电极。经许可转载。b） 具有三种形态的LIG的示意图。c） 激光光斑尺寸对基板的依赖性，d） 合成 LIG 的激光功率密度和片状电阻对工作距离的影响。e） 液滴式发电机的制造工艺和 f） 工作机制。g） 通过一个水滴点亮 480 个蓝色 LED。

2.3 基于LIG的柔性储能设备

具有多级孔隙率和高表面积的LIG完全满足了包括MSC和电池在内的储能器件中柔性薄膜电极的要求。与通过在金属集流体上涂覆活性材料、粘合剂和导电剂来制造的传统电极相比，LIG基电极可以直接在各种柔性基材上制造，而无需粘合剂。此外，已发现在LIG中加入其他活性材料可以显著改善储能器件的电容和电催化活性。这进一步增强了它们的整体性能和功能。

图4、a） 弹性MSC的示意图和照片。b） 比电容对拉伸（300%）和扭曲（两个循环）次数的依赖性。c） 固定在多孔LIG上的激光氧化Fe3O4纳米粒子的制备。d） MSC在弯曲角度≈90°的不同弯曲循环后的性能。

2.4 基于 LIG 相关材料的集成多功能柔性系统

LIG 衍生材料已在各种应用领域展现出巨大潜力，包括发电机、MSC、电池和传感器。激光划片技术简化了基于 LIG 的各种器件的制造和集成，从而促进了一体化电子器件的发展。值得注意的是，基于 LIG 的 TENG/MSC 和金属空气电池已被设计用于驱动其他电气设备，构建集成的自供电传感系统。

图5、a） 附在叶子上的 TENG 和 MSC 的工作示意图和照片。b） 基于LIG的自供电无线可穿戴传感平台的示意图、光学图像和电路图。c） 基于 LIG 的柔性一体化传感系统图示。d） 照片和 e） 腰腹的呼吸监测性能。

小结与展望

在过去几年中，LIG 及相关材料在柔性能源设备驱动其他功能部件方面展现出了独特的优势和巨大的潜力。非接触式激光划线工艺无需使用掩膜、光刻或有毒蚀刻化学品，就能在各种柔性基底上方便有效地合成 LIG 图案，从而实现一步到位直接制造可变形器件。具体而言，LIG 具有分层多孔性、高比表面积、高导电性、柔韧性和稳定性等特点，是制备能源设备电极的理想材料。利用 LIG 已成功制备出柔性能源转换和存储设备，如 TENG、MEG、MSC 和电池。

制备技术和机制的快速发展为生产具有可调特性的低成本、大规模 LIG 材料奠定了基础。为了揭示 LIG 的形成机理，我们对碳源的光-材料相互作用和高温反应进行了研究。通过调节前驱体、激光波长、功率密度、散焦水平、加工速度和气氛，可以调节 LIG 的形态、结构和性能。通过原位掺杂或加载其他材料、活化和增材制造等方法，LIG 衍生功能材料得到了开发，为优化相应器件的性能提供了一系列策略。通过设计激光加工模式，可以轻松制造由各种器件组成的阵列和柔性系统。

基于 LIG 的材料通常用于制造 TENG 和 MEG。与金属电极相比，LIG 电极可直接在柔性基底上制备，实现原位制备。TENG 可将机械能转化为电能，从人体运动和环境中收集能量，产生脉冲交流电。TENG 还可用作自供电压力传感器，用于人机交互。此外，据报道，具有功能梯度的 LIG 衍生材料可从环境湿度或人体逸出的蒸汽中产生直流电。要提高 MEG 的性能，调节亲水性和建立梯度或异质结构至关重要。研究人员已将 MEG 集成在一起，以实现高输出电压和电流，为不同的电子元件供电。TENGs 和 MEGs 的发展为实现自供电柔性系统开辟了道路。

自2014年以来，LIG及其相关材料已被广泛用于制备柔性MSC和电池。MSC的性能依赖于LIG的高比表面积和优异的导电性。通过杂原子掺杂或负载赝电容材料，显著提高了基于LIG的MSC的容量密度和循环稳定性。。此外，制造 MSC 阵列来储存电能，为其他可穿戴电子设备供电也很容易。柔性金属空气电池的能量密度远高于 MSC。当负载金属催化剂时，LIG 复合材料表现出较高的 OER 和 ORR 活性，可作为前景广阔的阴极催化剂。锌-空气电池和锂-空气电池在柔性电子产品中显示出巨大的潜力。此外，LIG 还被用于改善锂离子电池、锂金属电池和锂离子电池的性能，为具有高能量密度和稳定性的柔性能源设备铺平了道路。

近年来，将能量转换和存储设备集成到基于LIG的自供电柔性系统中引起了人们的极大兴趣。这些系统作为独立的能源平台，可以与基于LIG的功能传感器进一步结合。MSC可用于存储Teng和MEG产生的能量，为健康监测传感器和其他设备供电。具有高能量密度的基于LIG的电池可以提供持久的直流电为其他设备供电，使其适用于构建桌子和耐用平台。LIG在各种应用中的卓越性能使得制造具有多种功能的一体化柔性系统成为可能，具有广阔的前景。

尽管这一新兴领域取得了巨大进展，但仍有一些挑战需要解决。首先，LIG的形成涉及高温反应和复杂的机制，需要进一步研究以了解和控制其结构以及物理和化学性质。此外，激光诱导的反应太快，无法彻底研究。当碳源与金属、金属氧化物和其他材料混合时，机理变得更加复杂，难以控制产品的性能。需要原位表征系统、理论计算和模拟来揭示石墨化过程，提供有价值的指导。其次，大规模大规模生产技术的发展对于LIG的实际应用至关重要。需要在低成本的可持续前体、自动化加工系统和后处理技术方面取得进展。此外，还必须开发新的简单增材制造方法，以创建各种高性能能源设备的3D架构。第三，Teng和MEG的输出功率很难满足整个独立柔性系统的要求。开发混合能源系统至关重要，以从光、机械能、热能和生物化学能中产生足够的电力。MSC和电池的能量密度也需要进一步提高，以提供持续的电力并更长时间地驱动功能部件。第四，这些能源设备的灵活性和可靠性是有限的。大多数器件都是在可弯曲但不可拉伸的PI上制造的。然而，可穿戴电子产品需要更高的灵活性和长期稳定性。需要进一步努力在其他可穿戴基底上制备基于LIG的能量器件和其他功能部件。最后，将不同的基于LIG的电子器件与不同的结构和材料集成在一起带来了挑战，需要开发成熟的技术来创建一体化柔性系统。目前，基于LIG的柔性能源设备领域仍处于起步阶段，但可穿戴电子产品前景广阔。

文献：https://doi.org/10.1002/admt.202301602