【儀表網(wǎng) 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(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學與能源應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)訓(xùn)練中展現(xiàn)出重要應(yīng)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(dǎo)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(yīng)變傳感器集成在無線接收線圈內(nèi)部的設(shè)計理念，并結(jié)合預(yù)拉伸策略和激光刻蝕工藝，構(gòu)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(yù)拉伸形成的褶皺結(jié)構(gòu)和圖案中無連接界面的設(shè)計賦予了整個系統(tǒng)500%的面積應(yīng)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(nèi)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(yīng)。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。