云南大學：研發水凝膠超級電容器！超高能量密度和實時壓力傳感！

如今，新興的自供電可穿戴傳感設備因其在健康監測、人機交互和電子皮膚等方面的應用而引起了極大的關注。這方面更迫切的需求是開發新型多功能材料，用于電荷存儲和多響應的一體集成，超級電容器和傳感器，以實現持久的供電和難以察覺的傳感。即使經過充分的探索，目前集成的超級電容器傳感器電子器件由于在電化學耗盡過程中經歷迭代變形，通常會遭受不可避免的損壞，例如裂紋、裂紋和穿孔等，導致嚴重的性能退化。這給自供電的可穿戴傳感電子設備帶來了挑戰，例如，保持大變形和適應復雜表面，這進一步加速了探索具有非凡能量密度、靈活性和自修復能力的儲能單元的迫切需求。到目前為止，盡管基于贗電容材料的電容器被認為對柔性存儲單元吸引力，但[5]必要的自修復適用性和傳感能力遠遠被掩蓋。目前正在尋找具有非凡儲能、靈活性和自我修復能力的通用原型。

水凝膠由于其柔軟的特性，具有固有的優異柔韌性和自修復能力，在這方面似乎很有前景。其中一個值得注意的例子是（PVA），這是一種主要用于水凝膠構建的聚合物基質，用于產生有前景的柔性傳感器和超級電容器，例如電子皮膚、自供電電子設備、柔性可穿戴傳感器和皮膚順應性生物系統，因為它們具有的特性，例如無毒性、親水性、生物相容性，以及化學穩定性。PVA基柔性系統最重要的困境是相對較低的能量密度，因此引起了相當大的影響。劉等人提出了一種冷凍聚合策略，以合成具有能量密度（27.5Wh kg?1）的各向異性可拉伸PVA/PANI水凝膠。這已經與的可拉伸超級電容器進行了比較，但PVA涂層的導電活性材料是相互隔離的，而不是參與導電路徑的形成。這仍然導致了無法克服的缺點，無法進一步提高性能。隨后，實驗嘗試指出，只有有限部分的導電電化學活性材料實際上對能量存儲過程做出了貢獻，從而降低了比電容和能量密度。例如，Zou等人制備了一種具有多種功能的PANI-PVA全水凝膠超級電容器，添加的PVA為整個裝置帶來了極大的靈活性，但嚴重降低了電化學性能（7.8 Wh kg?1）。因此，在導電PANI上的軟介電PVA涂層似乎不可避免和由此產生的低能量密度對可穿戴自供電傳感電子器件構成挑戰這兩個方面之間可能存在一個矛盾。

，一個帶來新突破的理想原型應該受益于以下特性：i）PVA鏈與聚合的PANI膜糾纏在一起，并進一步充分緊密地包裹，以允許PVA@PANI水凝膠具有優異的電子傳輸導電性；ii）用于PVA@PANI必須保持水凝膠以限度地提高贗電容PANI的利用效率；iii）提供大量傳輸通道的多孔3D導電網配置將被構造用于不受阻礙的離子傳輸。事實上，人們已經付出了巨大的努力來克服所涉及的不可逾越的缺點，但PVA固有絕緣性中緩慢的電子傳導仍然使“理想"的水凝膠原型懸而未決。到目前為止，還沒有PVA@PANI水凝膠材料表現出“理想"特性，也沒有一種策略顯示出建立“理想"原型的潛力。因此，如何設計一個定義明確的PVA@PANI水凝膠材料具有同時的靈活性、多孔導電網結構、優異的導電性和高儲能性能，對于下一代可穿戴自供電傳感電子設備來說仍然很有前景，但相當具有挑戰性。

本文亮點

1.本工作通過苯胺/DMSO乳液模板原位冷凍聚合策略合成了一種柔性且可治療的動態交聯全水凝膠PVA@PANI。

2. 制造的柔性PVA@PANI片狀電極表現出的比電容（936.8 F g?1），組裝的對稱柔性全固態超級電容器提供了40.98 Wh kg?1的非凡能量密度，超過了之前報道的可拉伸值PVA@PANI基于水凝膠的超級電容器。

3. 這種柔性超級電容器電極能夠實時精確監測人類的活動，并實現快速反應和出色的自我恢復。

來源：傳感器專家網