最新AFM：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

近年来，可穿戴电子产品领域正经历着从刚性、笨重、非规整的设备向小型化、柔性、可伸缩转变。然而缺乏小型化的“能源站”，可以在较长时间内提供足够的电力。大多数可穿戴电子产品的耗电量可以从纳米瓦到毫瓦，预期耗电量从几小时到几天。研究者们从各种来源获取和存储能量，如人体运动、汗水、阳光或空气。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。这种基于汗液的能量收集器的一个关键缺点是需要从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。基于汗液的BSCs用于人体可穿戴设备或者是一个很好的选择。

基于以上研究背景，格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Serge Cosnier教授与UCSD大学Joseph Wang教授合作，报道了第一个全打印、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。研究内容以“Wearable Biosupercapacitor: Harvesting and Storing Energy from Sweat”为题发表在近日的《Advanced Functional Materials》

研究结果如下：

1、作者使用耐压油墨，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。与早期的多模块BFC和SC系统相比，这项电容器实现了两种功能在同一组电极上的材料级集成，从而降低了系统的复杂性，并最小化了设备占用空间。

2、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。

3、与普通的乳酸BFC相比，碳纳米管墨水、电沉积在阳极上的PPy导电聚合物、阴极上的高比表面积多孔Pt的协同作用赋予了BSC强大的电容性能。由此产生的可穿戴双功能BSC支持高功率脉冲操作，同时在人体汗液乳酸盐中保持稳定的循环性能。BSC能够承受高达10 mA cm-2的高电流密度放电，在7.5 mA cm-2下的最大功率密度为1.7 mW cm-2。

4、将该自充电混合装置安装在人体手臂上，可获得0.343 mW cm-2的高功率，且具有较好的长期运行稳定性：每30秒施加一个10 ms 1 mA cm-2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。作为一种含酶电极的可穿戴设备，其稳定性可能会受到环境因素的影响，如温度、pH值、盐离子或表面活性剂等。未来将进一步优化操作条件、电池性能和电子集成，以推进这一新型双功能自充电装置的能力和应用。

图 1皮肤贴装式双功能(能量收集和能量存储)BSC装置示意图。

来源：高分子科学前沿