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石墨烯传感器实现自我供电

时间:2021-01-08     作者:作者/Tessa M.Pick 编译/李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2021年01期

性可穿戴电子器件具有质轻、易结合皮肤、能承受力学变形,近年来逐渐在日常生活中崭露头角。然而,目前所采用的传感器,普遍需要使用外部供能驱动,阻碍了柔性可穿戴设备的优势发挥。

另外,人体从机械运动、关节旋转等过程能够产生可用的电能,这就给那些先进的能量收集技术提供了良好的机会。因此,设计出一款自供能、可穿戴电子器件将具有重大的科学意义和应用前景。

日前,美国宾州州立大学Huanyu Cheng教授与中国闽江学院Wang Jun教授等合作,利用柔性可延展的纳米发电机与微型超级电容器阵列实现褶皱石墨烯力学传感器自供能的设计。

研究人员利用赝电容特性的ZnP(磷化锌)多孔超薄纳米片与激光直写石墨烯(LIG)复合材料制备了岛-桥构型的叉指结构微型超级电容器阵列。两种不同储能机理电极材料的高效复合,实现了电容器在不牺牲功率密度和循环寿命的条件下大幅提升其能量密度。借助微型超级电容器阵列的串联/并行的方式,有效地调控了储能系统的输出电压/电流。

此外,研究人员利用预拉伸策略构建了基于褶皱金的纳米发电机和基于少数层褶皱石墨烯的力学传感器,并获得了纳米发电机和力学传感器的柔性可延展特性,为设计高性能柔性可延展电子器件提供了新的设计思路。

研究人员发现,利用整流技术,基于柔性可延展的纳米发电机、微型超级电容器阵列驱动的力学传感器表现出优异的机电性能,其应变灵敏系数高达354。这一策略就为开发自供能、柔性可延展电子器件铺平了道路。

激光诱导石墨烯(Laser Induced Graphene,简写为LIG)自2014年发现以来,在各个领域激起了广泛的研究兴趣,包括对形成机制的探究,制备方法的探索以及在能源、传感、环境、催化等众多领域的应用。在自然外界环境条件下,LIG可以通过使用激光器在碳前体材料上直接写入制备,将材料制备和器件制备结合,不需要传统的湿化学步骤,实现低成本图案化多孔石墨烯储能器件的制备。LIG具有优良的导电性、制备过程精确控制等众多优势,其应用已从超级电容器和微型超级电容器扩展到广泛的储能器件领域,如锂金属电池、锌-空气电池和燃料电池等。通过优化激光设置参数、电沉积或电活性物质的掺杂,利用不同气氛和调节浓度实现微观结构的可控生长,基于LIG的储能器件的电化学性能可以进一步提高。

依据Cheng教授等人的研究成果,当制造可穿戴器件的时候,传统的集成可穿戴电子设备存在一个三明治结构的堆垛形态,呈现出较差的柔性,较长的离子扩散距离和复杂的集成工艺。而研究人员的解决方案,是利用微型超级电容器作为能量储存器件,可以补充或替换在可穿戴器件中的锂离子电池,因为微型超级电容器具有小型化、高功率密度、充电和放电迅速等特点。

研究人员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,此时可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教授表示,这就使得系统可以实现可逆伸展达到100%。通过使用非层状、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,用以构建细胞单元的岛-桥设计。

研究人员观察到了电导率的显著提高和吸收的带电离子数量的明显增加。这证明了这些微型超级电容器的排列可以有效地充电与放电,其储存的能量足够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。

Cheng教授表示:“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,比如胳膊肘弯曲、呼吸或说话时,我们能够使用这些人类每天的运动来为微型超级电容器进行充电。”

Cheng教授列举了一组数据证明,ZnP@LIG混合电极的优越电化学性能。ZnP@LIG混合电极在1Ag-1时容量为1425 Fg-1,在30Ag-1时容量为926 Fg-1,在Na2SO4水溶液电解液中5000次循环后容量保持为68.5%。相比同类混合电极,性能更为出色。

此外,将岛-桥布局的平面MSCAs以串行/并行方式连接,可形成具有优越能量密度和定制电压/电流的多功能可伸缩能源输出,并表现出稳定的对抗弯曲和拉伸变形。

故此,岛-桥构型的平面微型超级电容器阵列的设计思路,为构建高性能柔性可延展电源奠定了结构基础。

研究团队考虑通过设计柔性可延展纳米发电机将人体机械能传化为电能,并将其存储于柔性可延展微型超级电容器阵列,从而实现基于褶皱石墨烯的力学传感器的自供能。

Cheng教授表示:“可伸缩MSCAs(平面微型超级电容器阵列)已与基于褶皱石墨烯的可伸缩应变传感器集成在一起,集成后的传感器表现出优异的传感系数。这种MSCAs阵列还能为设计柔性传感器提供研究平台,有望与温度传感器、血氧传感器、血糖传感器、心率传感器等电子器件构建成为综合传感系统,进而为构筑自供能、柔性可延展传感系统提供新型设计思路。”

编译自Phy.org网站

(责任编辑 姜懿翀)

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