自供能、柔性可穿戴力学传感器的设计与应用

柔性可穿戴电子器件具有质轻、易结合皮肤、能承受力学变形，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，极大的限制了柔性可穿戴优势的极致发挥。另外，人体从机械运动、关节旋转等过程可以产生可用的电能，这就给利用先进的能量收集技术给柔性可穿戴电子器件供能提供了极好的机会。因此，设计自供能、可穿戴电子器件有望实现这些设备的永久供能，具有重大科学意义和应用前景。今日，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，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。

图1：利用柔性可延展的纳米发电机收集能量、微型超级电容器阵列存储能量驱动褶皱石墨烯力学传感器的示意图及机电性能图。

要点1. 研究人员利用赝电容特性的ZnP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/并联，有效的调控了储能系统的输出电压/电流特性。

要点2. 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。

要点3. 研究发现，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。

该策略为开发自供能、柔性可延展电子器件铺平了道路。

图2：微型超级电容器阵列串联/并联的结构图、电学示意图、电容性能及在拉伸过程中的电学输出性能。

参考文献：C. Zhang, Z. Peng, C. Huang, B. Zhang, C. Xing, H. Chen, H. Cheng, J. Wang, S. Tang, 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. Nano Energy 81(2021) 

105609DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105609

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105609

来源：奇物论