​《Mater.Horiz.》:基於高性能離子油凝膠電解質的集成可穿戴自供能柔性傳感系統

可穿戴柔性智能設備在物聯網領域有著重要而深遠的意義。隨著人機交互技術的發展,可穿戴力傳感器已經被廣泛用於人體健康監測。與傳統剛性壓電材料相比,柔性導電凝膠具有超柔性、生物相容性好、制備流程簡單的優點,被認為是理想的柔性傳感器材料。近年來,研究者致力於制備出具有高靈敏度、耐用性和出色的可穿戴性的新型離子凝膠應變傳感器,並取得瞭較大突破。然而,這些基於離子凝膠的傳感器需要連接外部儲能設備功能,這限制瞭實際應用。自供電傳感系統為解決這一問題提供瞭思路,因為它們能夠從集成電源中獲取電源儲能裝置,使得傳感元件無需外部電源即可操作。柔性全固態超級電容器由於其優點(如使用壽命長,可靠的安全性和高功率密度)成為外部電源的最佳選擇之一。與此同時,具有固態電解質和隔膜雙重作用的離子凝膠電解質是近年來制造柔性全固態超級電容器的一大熱點。終上所述,合理設計的多功能離子凝膠電解質有望成為同時制備高性能離子凝膠傳感器和全固態超級電容器及其集成系統的核心材料。

近日,福州大學石油化工學院江獻財副教授與福建物構所官輪輝研究員及其研究團隊基於聚乙烯醇/聚(丙烯酸酰胺-丙烯酸)/甘油/氯化鈉(PVA/PAMAA/Gly/NaCl)制備離子油凝膠。甘油和氯化鈉的引入使凝膠具有良好的韌性、高導電性和粘合性,在寬的溫度范圍保持穩定並具有良好的自修復性能力。在此基礎上進一步組裝成由柔性應變傳感器和全固態超級電容器構築的自供能集成傳感系統。由超級電容器驅動的應變的傳感器可作為可穿戴設備直接貼附在人體皮膚/織物上且實現瞭關節運動、心率測量等人體健康參數的實時監測。

圖文詳解

1. 基於離子油凝膠的自供能傳感器的制備

研究者通過一鍋法在紫外光引發下通過自由基原位聚合,以PVA和PAMAA為聚合物網絡,利用NaCl的鹽析效應和氫鍵復合得到瞭離子油凝膠電解質。基於離子油凝膠電解質,通過ITO/PET作為集流體組裝可拉伸的離子油凝膠應變傳感器。

同時,使用合成的離子油凝膠作為固態電解質,並以巴克紙作為電極, 引入ITO/PET集流體,用PDMS彈性體進行封裝以制備柔性全固態超級電容器。柔性固態超級電容器可作為儲能設備,驅動應變傳感器作為可穿戴的集成傳感系統進行實時運動檢測。

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圖1:(a) 制備PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠電解質的示意圖,(b) 離子油凝膠應變傳感器的制備,(c) 基於CNTs薄膜電極的柔性全固態超級電容器的制備,(d) 集成自供能傳感器在人體運動監測中的應用。

2. PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠的結構表征及力學性能

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圖2:具有不同NaCl含量的PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠的表征

如圖2所示,隨著NaCl用量的提升,PVA/PAMAA/NaCl離子油凝膠電解質變得更加強韌,其拉伸強度、楊氏模量和斷裂能逐漸提升,而斷裂伸長率的變化則與之相反。這主要是由於凝膠中的微孔結構能夠更好分散外界所施加的應力,避免應力集中,賦予瞭離子油凝膠電解質更強的機械性能。同時,鏈纏繞引起的物理交聯網絡在一定程度減弱瞭分子網絡結構的柔性,導致斷裂伸長率下降。此外,由於甘油的引入,凝膠電解質在低溫條件下依然保持良好的導電性能和機械性能。

3. PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠的粘性和自修復性

如圖3a所示,類似於膠帶,離子油凝膠可以緊緊地粘附在如鋼、陶瓷、玻璃和橡膠等不同的親水和疏水基材表面上,具有對各種基材長期以及可重復的粘合性。圖3b和c表明,離子油凝膠電解質在破壞修復過程後仍具有良好的機械性能,且修復效率高,修復速度快。

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圖3:離子油凝膠的粘性展示及自修復性能
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圖4:離子油凝膠柔性應變傳感器的傳感性能

由於其良好的柔韌性和導電性,離子油凝膠展現出優異的傳感特性,在靈敏度、響應時間、監測范圍及耐久性上都表現出優異的性能(圖4)。

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圖5:基於離子油凝膠的柔性固態超級電容器的電化學性能

利用離子油凝膠電解質良好的粘性和突出的離子傳輸能力,以其為固態電解質組裝的柔性固態超級容器具有良好面積比容量(75 mF cm-2)和優異的充放電循環穩定性,且能在連續彎折過程中保持良好的電容性能。

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圖6:集成自供能傳感系統在人體健康監測中的應用

此外,為瞭驗證自供能可穿戴傳感器對多部位肢體運動檢測的有效性,針對不同人體運動過程進行瞭實時監測。如圖6 所示,基於離子油凝膠的自供能可穿戴傳感器成功實現瞭對不同人體運動頻率、速度、幅度等信息的全方位同步監測。該工作中設計制備的自供能可穿戴傳感器在人體運動檢測和醫療康復領域展現瞭廣闊的潛在應用前景。

以上相關工作以“Self-powered integrated system of a strain sensor and flexible all-solid-state supercapacitor by using a high performance ionic organohydrogel”為題,發表在《Materials Horizons》雜志上。本文的第一作者為福州大學機械學院-福建物構所聯合培養博士生黃建仁以及福州大學石油化工學院的碩士生彭水嬌、谷建鋒,通訊作者為江獻財副教授和官輪輝研究員。

該工作得到國傢自然科學基金和福建省青年基金項目的資助與支持。福州大學機械學院楊曉翔教授對該研究提供瞭幫助和指導。

原文鏈接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00100g#!divAbstract (DOI: 10.1039/d0mh00100g)

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