近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T、師曉宇副研究員團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士合作，在皮膚可粘附的集成化微型電化學(xué)能源系統(tǒng)研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在材料、界面、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備策略等方面的協(xié)同優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了一種MXene基可拉伸、一體化集成的無(wú)線充電-儲(chǔ)能-傳感微系統(tǒng)。
 

　　用于監(jiān)測(cè)生理信號(hào)的皮膚粘附傳感器件已在健康監(jiān)測(cè)和康復(fù)訓(xùn)練中展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，需要將高度柔性的能量采集和儲(chǔ)能器件集成到有限空間的傳感系統(tǒng)中。然而，由于這些模塊通常采用不同的材料，并且依賴于各自獨(dú)立的制造工藝，不僅增加了系統(tǒng)小型化和集成化的難度，還導(dǎo)致界面兼容性較差，尤其是在機(jī)械形變狀態(tài)下，極易引發(fā)界面分層、斷裂和失效等問(wèn)題。
 

　　本工作中，團(tuán)隊(duì)提出一種將微型超級(jí)電容器和應(yīng)變傳感器集成在無(wú)線接收線圈內(nèi)部的設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合預(yù)拉伸策略和激光刻蝕工藝，構(gòu)筑了可拉伸的MXene基一體化微系統(tǒng)。其中，MXene同時(shí)作為無(wú)線接收線圈、微型超級(jí)電容器電極和傳感材料，從而消除了模塊間的界面，改善了微系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性，整體面積僅為1.4cm*1.4cm。預(yù)拉伸形成的褶皺結(jié)構(gòu)和圖案中無(wú)連接界面的設(shè)計(jì)賦予了整個(gè)系統(tǒng)500%的面積應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)，微型超級(jí)電容器在1000次雙向拉伸后，電容保持率達(dá)98.5%，甚至在動(dòng)態(tài)拉伸的過(guò)程中也具有與靜態(tài)條件下一致的充放電行為。無(wú)線接收線圈能在20s內(nèi)穩(wěn)定地將微型超級(jí)電容器充至滿電，且多次無(wú)線充電-恒流放電循環(huán)后容量無(wú)衰減。此外，該微系統(tǒng)可以貼合在皮膚上，實(shí)現(xiàn)對(duì)手指彎曲、手背拉伸、按壓等多種動(dòng)作的快速響應(yīng)。該工作為一體化、集成化、可穿戴微型電化學(xué)能源系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了新思路。
 

　　508組長(zhǎng)期致力于微能源集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，近年來(lái)取得了系列研究進(jìn)展，包括開(kāi)發(fā)微型超級(jí)電容器-氣體傳感系統(tǒng)(Adv. Funct. Mater.，2020)、微型超級(jí)電容器-壓力傳感系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2021)、自供電溫度傳感系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2021)、自供電壓力傳感系統(tǒng)(Adv. Mater.，2021)、自供電雙通道氣體傳感系統(tǒng)(Nano Energy，2021)等，并綜述了其最近研究進(jìn)展(J. Energy Chem.，2023)。
 

　　上述研究成果以“An ultrastretchable seamlessly integrated contactless charging microsystem towards skin-attachable wireless microelectronics”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該成果的第一作者是508組博士研究生任志浩。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。