福建师大陈鲁倬课题组ESM：“汗液自充电”的超级电容器用于亲肤的可穿戴设备

【研究背景】

可穿戴设备的快速发展离不开与之匹配的能源器件。超级电容器具有长寿命、大功率以及结构简单的特点，是可穿戴设备潜在的储能器件。当超级电容器应用于可穿戴设备时，除了常规的电化学性能以外，首先还要考虑器件的穿戴安全性。传统的酸/碱性电解液虽然具有高离子电导率，但是可能刺激皮肤，不适合用于亲肤的可穿戴设备。此外，考虑到可穿戴设备的使用场景以及超级电容器需要频繁充电的特点，如何实现器件的便捷充电也需要考虑。自充电超级电容器是一种便捷充电策略，但目前大多数自充电超级电容器（如压电-超级电容器、摩擦电-超级电容器以及光电-超级电容器等）还缺乏在可穿戴条件下的实用化自充电性能。因此，穿戴安全性和便捷充电是超级电容器应用于可穿戴设备时需要解决的两个关键问题。

【工作介绍】

近日，福建师范大学物理与能源学院的陈鲁倬教授课题组基于柔性聚苯胺/碳纳米管（PANI/CNT）电极，以具有良好生物相容性的氯化钠作为超级电容器的电解液，报道了一种“汗液自充电”且亲肤的超级电容器。尽管使用氯化钠电解液时超级电容器的电容下降到硫酸电解液的一半，但是器件的电压窗口从0.8 V提升到1.4 V，从而获得了更大的储能密度。该工作在电极上粘贴金属箔从而在超级电容器中构筑了锌-空气电池自充电部件。这一设计充分保持了超级电容器原有的简单且紧凑的结构，有助于其后续应用于可穿戴设备中。自充电部件吸收人体汗液作为电解液，启动锌-空气电池反应原位地给超级电容器充电。测试者佩戴其运动6分钟后，器件可以自充电至0.652 V。进一步地，研究人员还制备了自充电表带和护腕，可以在使用者运动时自充电，驱动手表以及计步器等常见的电子设备。该研究成果以《“Sweat-Chargeable” on-Skin Supercapacitors for Practical Wearable Energy Applications》为题名发表在国际能源类顶级学术期刊Energy Storage Materials上。罗志灵副教授为论文第一作者，陈鲁倬教授为论文唯一通讯作者。

【内容表述】

1. 器件的设计与制备

该工作首先系统地研究了聚苯胺/碳纳米管超级电容器在不同浓度的氯化钠电解液中的电化学行为与性能，最后确定以1.0 M的氯化钠作为超级电容器的电解液，并用聚乙烯醇（PVA）制备了准固态器件。“汗液自充电”超级电容器的器件结构如图1（a）所示。在柔性无隔膜的三明治型超级电容器基础上，将电极延长，并在延长端分别贴附锌箔和滤纸。器件可以直接粘贴在人体皮肤，当汗液进入自充电部件（器件左侧）时可以作为自充电电解液触发锌-空气电池反应，直接给超级电容器充电。该设计实现了电荷从电池到超级电容器的无导线直接传递，简化了器件的结构并减小其尺寸，同时还可以降低能量在传递过程中的损失。器件的制备过程如图1（b）所示。

图1. “汗液自充电”超级电容器的（a）设计与（b）制备。

2. 器件的自充电性能

如图2（a）所示，用蘸取不同溶液的湿棉签将自充电部件的滤纸和锌箔按压在一起，可以启动自充电过程。器件的自充电曲线如图2（b）所示，可以看出溶液的浓度越高自充电效果越好，值得注意的是器件使用人工汗液时可以自充电至0.7 V，可以驱动一个小电机。器件在不同溶液下的自充电性能差异是由于自充电部件的功率不同所致（图2（c）），自充电部件最大充电功率为0.696 mW cm^-2。该工作还探究了器件在穿戴条件下的自充电效果，测试者佩戴其运动6分钟后可器件可以充电至0.652 V，很接近用棉签蘸取人工汗液时的自充电效果。

图2. 超级电容器的自充电效果。（a）器件的自充电操作与等效电路；（b）器件在不同溶液下的自充电效果；（c）自充电部件在不同溶液下的输出性能；（b）器件在实际穿戴条件下的“汗液自充电”性能。插图为器件的实际穿戴效果。

图3. （a）自充电表带的内面和外面照片;（b）自充电表带在测试者运动过程中“吸汗充电”，从而驱动手表。

为了进一步阐释器件的可穿戴效果，研究人员基于上述结果制备了自充电表带，如图所示，图3（a）为自充电表带的实物照片。利用聚苯胺/碳纳米管电极柔性导电的特征，实现了多个器件的无导线集成，极大地增强了器件的可穿戴实用性。测试者佩戴该器件运动2分钟后即可驱动手表（图3（b））。

Zhiling Luo, Yi Wang, Bingdong Kou, Changhong Liu, Wei Zhang, Luzhuo Chen*, “Sweat-Chargeable” on-Skin Supercapacitors for Practical Wearable Energy Applications. Energy Storage Materials, 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.02.046

作者简介：

陈鲁倬，福建师范大学物理与能源学院教授、博士生导师。2011年从清华大学获博士学位，曾入选国家自然科学基金委中德科学中心“林岛项目”。近年来从事智能材料与柔性能源器件的研究，以第一或通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Energy Storage Mater.等期刊发表SCI论文20余篇，研究成果曾被《美国化学会新闻周刊》、C&EN等报道。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目；福建省杰出青年基金项目；入选福建省特殊支持“双百计划”人才、百千万人才工程省级人选。已授权国内外发明专利50余项。现担任国际仿生工程学会青年委员会委员。

罗志灵，福建师范大学物理与能源学院副教授。2020年博士毕业于清华大学物理系。长期从事基于纳米复合材料的新能源器件的研究，如电池-超级电容器混合型自充电器件、湿度自充电超级电容器以及可折叠超级电容器等。