柔性可穿戴電子器件具有質(zhì)輕、易結(jié)合皮膚、能承受力學(xué)變形，逐漸在日常生活中嶄露頭角。然而，目前所采用的傳感器，普遍需要使用外部供能驅(qū)動，極大的限制了柔性可穿戴優(yōu)勢的極致發(fā)揮。另外，人體從機(jī)械運動、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)等過程可以產(chǎn)生可用的電能，這就給利用先進(jìn)的能量收集技術(shù)給柔性可穿戴電子器件供能提供了極好的機(jī)會。因此，設(shè)計自供能、可穿戴電子器件有望實現(xiàn)這些設(shè)備的永久供能，具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
近日，閩江學(xué)院張誠博士、王軍教授與美國賓州州立大學(xué)程寰宇教授、南京大學(xué)唐少龍教授等合作，報道了利用柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)及微型超級電容器陣列為褶皺石墨烯力學(xué)傳感器的供能策略。論文以“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”為題發(fā)表在Nano Energy 上。
研究人員利用贗電容特性的ZnP多孔超薄納米片與激光直寫石墨烯（LIG）復(fù)合材料制備了島橋構(gòu)型的叉指結(jié)構(gòu)微型超級電容器陣列。兩種不同儲能機(jī)理電極材料的高效復(fù)合，實現(xiàn)了電容器在不犧牲功率密度和循環(huán)壽命的條件下大幅提升其能量密度；借助微型超級電容器陣列的串聯(lián)/并聯(lián)，有效的調(diào)控了儲能系統(tǒng)的輸出電壓/電流特性。
圖1：利用柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)收集能量、微型超級電容器陣列存儲能量驅(qū)動褶皺石墨烯力學(xué)傳感器的示意圖及機(jī)電性能圖。
研究人員利用預(yù)拉伸策略構(gòu)建了基于褶皺金的納米發(fā)電機(jī)和基于少數(shù)層褶皺石墨烯的力學(xué)傳感器，并獲得了納米發(fā)電機(jī)和力學(xué)傳感器的柔性可延展特性，為設(shè)計高性能柔性可延展電子器件提供了新的設(shè)計思路。
圖2：微型超級電容器陣列串聯(lián)/并聯(lián)的結(jié)構(gòu)圖、電學(xué)示意圖、電容性能及在拉伸過程中的電學(xué)輸出性能。
研究發(fā)現(xiàn)，利用整流技術(shù)，基于柔性可延展的納米發(fā)電機(jī)、微型超級電容器陣列驅(qū)動的力學(xué)傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)電性能，其應(yīng)變靈敏系數(shù)高達(dá)354。該策略為開發(fā)自供能、柔性可延展電子器件鋪平了道路。
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