闽江学院张诚博士、王军教授等Nano Energy：自供能、柔性可穿戴力学传感器的设计与应用

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可穿戴、便携式、可拉伸和可植入式电子设备迅速发展，有望用于临床医学中的诊断确认和先进的治疗选择。这些新兴的电子产品同时推动了高性能的柔性且可伸缩能量收集/存储设备的快速发展。摩擦纳米发电机（TENGs）是通过应用摩擦电效应将机械运动转换为电能的新兴技术。产生的电通常存储在电化学存储设备中，用于驱动各种可穿戴电子设备。微型超级电容器（MSC）由于其体积小、功率密度高、快速充放电、出色的循环稳定性以及易于集成到微型微机电系统中而受到了广泛的关注。但是，它们的实际应用仍然需要增加机械拉伸性和能量密度，而不牺牲其功率密度和寿命。尽管各种基于碳材料或异质结构的MSC被大量报道，但这些装置经常遭受与电极-电解质界面处的静电荷相关的低能量密度，并且由于存在不可拉伸的活性元素以及在反复拉伸变形下界面较弱而限制了可拉伸性。此外，具有大厚度的三明治状堆叠几何形状的常规MSC显示出差的柔韧性、大的离子扩散距离和复杂的集成过程，从而限制了与可穿戴便携式电子设备集成化。

闽江学院张诚博士、王军教授与美国宾州州立大学程寰宇教授、南京大学唐少龙教授等合作在国际期刊Nano Energy (IF 16.602)上发表题为“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”的研究论文，报道了利用柔性可延展的纳米发电机及微型超级电容器阵列为褶皱石墨烯力学传感器的供能策略。在本文中报告了一种自供电的可拉伸器件，该器件由多功能MSCA、一个基于Au的TENG皱缩和一个基于石墨烯的应变传感器组成。多功能MSCA基于锚固在三维激光诱导的石墨烯泡沫上的非层状ZnP超薄纳米片，后者以岛桥布局配置。所制备的多功能可拉伸MSCA驱动的灵敏且可拉伸的基于皱纹的基于石墨烯的应变传感器展示了自供电，高度集成的可拉伸系统的可行性。

图1.基于混合电极的多功能可拉伸微超级电容器阵列的合成过程和光学图像，超薄ZnP纳米片锚固在岛状桥布局中的3D激光诱导石墨烯泡沫上。（a）制备超薄ZnO和ZnP纳米片的合成过程的示意图。在通过溶剂热法合成ZnO纳米片之后，它们被用作合成超薄二维ZnP纳米片的前体。（b）多功能可拉伸MSCA的制备过程示意图。用CO2激光脉冲辐照聚酰亚胺薄膜制成3D LIG泡沫后，通过荫罩在LIG上喷涂ZnP，制备ZnP @ LIG电极，然后滴铸PVA/KCl凝胶电解质，并用聚二甲基硅氧烷薄层包装。（c）在培养皿和人体上以串行和并行配置连接的多合一可拉伸MSCA的光学图像。

本文要点

（1）混合电极由在3D激光诱导的石墨烯泡沫上锚定ZnP纳米片而制备。

（2）混合电极具有出色的离子/电导率和长期稳定性。

（3）具有可拉伸结构的混合电极可实现可拉伸的微型超级电容器阵列。

（4）具有可调电压/电流输出的MSCA可以可逆地扩展到100％。

（5）MSCA与TENG和传感器的集成展示了一种自供电的可拉伸系统。

原文链接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105609

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