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一款双功能、可伸缩、可穿戴的超级电容器,能够利用汗液收集能量

2021年07月16日09:24 【作者:高分子科学前沿】     
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近年来,可穿戴电子产品正经历着从刚性、笨重、非规整的设备向小型化、柔性化以及可伸缩转变。然而,其长期可提供足够电力的“能源站”的小型化是主要的技术瓶颈。研究者们从各种途径获取和存储能量,如人体运动能量、汗水、阳光、空气等。可穿戴生物燃料电池(BFCs)通过酶电化学反应将人体汗液中的化学能转化为电能,被认为是一种很有潜力的解决方案。但是,这种基于汗液的能量收集器的一个关键缺点是需要人体汗液和氧化剂中不断提供燃料。自充电生物超级电容器(BSCs)是一种能够储存能量并通过化学或太阳能转换进行自我充电的电容器。基于人体汗液的BSCs在可穿戴设备中有很大的应用前景。

基于上述背景,格勒诺布尔-阿尔卑斯大学与UCSD大学合作研究了第一个全打印、双功能、可伸缩、可穿戴的超级电容器,用于收集和存储汗液中的能量,同时保持与人体皮肤的密切接触。这款可穿戴混合设备兼具BFC和SC功能,已被证明能够提供高功率脉冲,并通过人体汗液中的乳酸生物燃料的酶氧化快速自我充电。



研究者使用耐压油墨,将BFC和SC功能结合在同一印刷阳极和阴极上,满足皮肤可穿戴设备的柔软性、延展性和可伸缩性要求,同时降低了系统的复杂性,并最小化了设备占用空间。通过高效的岛桥结构的平面电极设计和耐应变油墨的使用,实现了稳定、保形、可伸缩的能量收集-存储双功能器件。在软硅橡胶基板上制作岛桥结构:在活性电极岛的底部印刷非弹性主干层,用于机械支持;金属银互相连接,被印刷成蛇形图案作为桥。当设备变形时,电极区域的应力分布到周围的柔性区域,从而确保有吸引力的机械弹性。

将该自充电混合装置安装在人体手臂上,可获得0.343 mW/cm2的高功率,且具有较好的长期运行稳定性:每30s施加一个10 ms·mA/cm2电流脉冲,可以持续1 h,在超过120个循环中没有观察到明显的性能下降。

相关研究以“Wearable Biosupercapacitor:Harvesting and Storing Energy from Sweat”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。


标签:电容器
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