【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T、師曉宇副研究員團隊與中國科學院深圳先進技術研究院成會明院士合作，在皮膚可粘附的集成化微型電化學能源系統(tǒng)研究方面取得新進展。團隊通過在材料、界面、結構設計和制備策略等方面的協(xié)同優(yōu)化，開發(fā)了一種MXene基可拉伸、一體化集成的無線充電-儲能-傳感微系統(tǒng)。
用于監(jiān)測生理信號的皮膚粘附傳感器件已在健康監(jiān)測和康復訓練中展現(xiàn)出重要應用潛力。為了實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的運行，需要將高度柔性的能量采集和儲能器件集成到有限空間的傳感系統(tǒng)中。然而，由于這些模塊通常采用不同的材料，并且依賴于各自獨立的制造工藝，不僅增加了系統(tǒng)小型化和集成化的難度，還導致界面兼容性較差，尤其是在機械形變狀態(tài)下，極易引發(fā)界面分層、斷裂和失效等問題。
本工作中，團隊提出一種將微型超級電容器和應變傳感器集成在無線接收線圈內部的設計理念，并結合預拉伸策略和激光刻蝕工藝，構筑了可拉伸的MXene基一體化微系統(tǒng)。其中，MXene同時作為無線接收線圈、微型超級電容器電極和傳感材料，從而消除了模塊間的界面，改善了微系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性，整體面積僅為1.4cm*1.4cm。預拉伸形成的褶皺結構和圖案中無連接界面的設計賦予了整個系統(tǒng)500%的面積應變。研究發(fā)現(xiàn)，微型超級電容器在1000次雙向拉伸后，電容保持率達98.5%，甚至在動態(tài)拉伸的過程中也具有與靜態(tài)條件下一致的充放電行為。無線接收線圈能在20s內穩(wěn)定地將微型超級電容器充至滿電，且多次無線充電-恒流放電循環(huán)后容量無衰減。此外，該微系統(tǒng)可以貼合在皮膚上，實現(xiàn)對手指彎曲、手背拉伸、按壓等多種動作的快速響應。該工作為一體化、集成化、可穿戴微型電化學能源系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了新思路。
508組長期致力于微能源集成系統(tǒng)的開發(fā)，近年來取得了系列研究進展，包括開發(fā)微型超級電容器-氣體傳感系統(tǒng)(Adv. Funct. Mater.，2020)、微型超級電容器-壓力傳感系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2021)、自供電溫度傳感系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2021)、自供電壓力傳感系統(tǒng)(Adv. Mater.，2021)、自供電雙通道氣體傳感系統(tǒng)(Nano Energy，2021)等，并綜述了其最近研究進展(J. Energy Chem.，2023)。
上述研究成果以“An ultrastretchable seamlessly integrated contactless charging microsystem towards skin-attachable wireless microelectronics”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該成果的第一作者是508組博士研究生任志浩。以上工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
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