研究背景
如今，微型化的便携式和可穿戴式电子设备的加速增长刺激了兼容的微尺度储能装置的发展。然而，配套的储能装置大多是刚性的、不灵活的，这极大地阻碍了下一代柔性电子产品的发展。一种有效的策略是将能量采集、储能装置和传感器集成到一个系统中，也称为自供电系统。典型的能量采集装置主要包括太阳能电池、摩擦纳米发电机(TENG)压电纳米发电机(PENG)、热电发电机(TEG)，等等。一般来说，能量收集装置可以将间歇性的光能、机械能和热能转化为电能。
此外，储能模块是自供电系统不可缺少的组成部分。与微型电池自身的低功率密度和寿命差的缺点相比，微型超级电容器 (MSCs)的明显优势在于其快速充放电、高功率密度、长循环寿命和免维护。特别是，具有手指激活电极的平面交错结构MSCs可以在同一平面上制造，然后涂上凝胶电解质。对于传感元件，压力传感器的性能主要取决于与施加的力接触的传感材料。有许多材料同时具有电化学和传感特性,包括碳质材料、导电聚合物金属氧化物、MXene 等。这些双功能电极材料为设计超级电容器和传感器提供了思路和指导。设计一个具有高灵敏度的生理信号检测的高效自供电一体化传感器系统是非常可取的。
研究成果
具有高灵敏度生理信号检测功能的自供电集成传感器对于下一代可穿戴电子设备来说是不可或缺的。在此，四川大学张爱民&Jihai Zhang教授团队成功在柔性乙烯-乙烯/丁烯-烯(SEBS) 电纺薄膜上实现了一个基于Ti3C2Tx/CNTs 的自供电电阻式传感器与太阳能电池和平面内微型超级电容器(MSCs)。所制备的 Ti3C2Tx/CNTs@SEBS/CNTs 纳米纤维膜表现出高导电性和机械灵活性。激光辅助制造的基于Ti3C2Tx/CNTs的MSCs 表现出 5289 和9.56 uWh cm-2 的高面积能量密度，相应的面积功率密度为 0.2和4 mWcm-2。此外，这些 MSCs 在10000 次循环后表现出90.62%的显著容量保持率。此外，基于Ti3C2Tx/CNTs 的传感器表现出在生理条件下对人类面部微表情和脉冲单的实时检测能力。反复的弯曲/释放测试表明，基于 T3C2Tx/CNTs 的传感器具有长时间的循环稳定性。由于出色的传感性能，传感阵列也被制作出来。相信，这项工作为设计一个具有灵活生产、高性能和人类友好特性的可穿戴电子设备的自供电传感器系统开发了一条路线。相关研究以“Self-Powered Integrated Sensing System with In-Plane Micro-Supercapacitors for Wearable Electronics”为题发表在Small期刊上。
图文导读
Figure 1. Schematic illustrate the fabrication of the Ti3C2Tx/CNTs-based self-powered integrated sensor platform.
Figure 2. Surface OM image of a) SEBS/CNT film, b) CNT@SEBS/CNT film, c) Ti3C2Tx /CNT@SEBS/CNT film. d) Photograph of Ti3C2Tx/CNT@SEBS/CNT film. Surface SEM and corresponding magnified SEM images of e) SEBS/CNT film, f) CNT@SEBS/CNT film, g) Ti3C2Tx/CNT@SEBS/CNT film. h) Cross-sectional SEM and corresponding pseudo-color image of Ti3C2Tx/CNT@SEBS/CNT film. i) EDS mapping of Ti3C2Tx/CNT@SEBS/CNT film and corresponding Ti, C, O element. j,k) TEM image of Ti3C2Tx nanosheets with different magnifications. l) AFM image of Ti3C2Tx nanosheets and corresponding height profile of crossed line. m) Raman spectra of Ti3C2Tx nanosheets. n) XRD patterns of Ti3C2Tx, SEBS/CNT, CNT@SEBS/CNT, Ti3C2Tx/CNT@SEBS/CNT. High-resolution o) Ti2p spectra and p) O1s spectra of Ti3C2Tx.
Figure 3. Electrochemical performance of Ti3C2Tx/CNT based-MSCs on SEBS/CNT electrospinning Film.
Figure 4. Ti3C2Tx/CNTs@SEBS/CNTs film-based flexible device for sensing performance.
Figure 5. a) Schematic illustrate the self-powered flexible sensor system for real-time pulse single detection. b) Photograph of the self-powered flexible sensor attached on a human wrist. c) Charging–discharging curve of self-powered flexible sensor charged by solar cell array and discharging at a current density of 3 mA cm−2. d) The real-time human pulse monitoring before and after exercise. e) Schematic illustration of a Ti3C2Tx/CNTs@SEBS/CNTs film-based sensor array with 4 × 4 pixels. f) Photograph of the sensor array on a ceramic sheet. g) The multimeter tests the resistance value of different block sensors. h) The resistive response of sensing units.
总结与展望
综上所述，这项工作展示了在柔性SEBS电纺膜上的基于MXene/CNTs的自供电压力传感器系统，具有太阳能电池的能量供应和平面内 MSCs 的能量存储。所制备的Ti3C2Tx/CNTs@SEBS/CNTs 纳米纤维膜表现出良好的机械柔性和高导电性可用于电化学活性材料和传感器材料。通过计算机控制的数字振镜激光直写法，制作了数字间的面内 MSCS器件。结果，获得的基于Ti3C2Tx/CNTs的MSC 表现出52.89和9.56 uWh cm2的高面积能量密度，相应的面积功率密度为0.2和4 mWcm2。此外，在10000次循环后，其容量保持率达到了90.62%。此外，基于 Ti3C2Tx/CNT 的传感器表现出对人体生理信号的实时检测能力并表现出长时间重复弯曲/释放循环的稳定性。这项工作为设计一个具有灵活生产、高性能和人类友好特性的可穿戴电子设备的自供电传感器系统制定了一个策略。
文献链接
Self-Powered Integrated Sensing System with In-Plane Micro-Supercapacitors for Wearable Electronics
https://doi.org/10.1002/smll.202207723.
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