柔性可穿戴器件新动力:可贴合皮肤的超级电容器

随着越来越多的电子器件朝着小型和便携化的方向发展,设计和研制出柔性可穿戴的微型储能设备至关重要。近年来,薄膜类超级电容器因为循环寿命长、充放电效率高、功率密度大、安全稳定以及独特的机械性能而受到了科研人员的广泛关注。然而,当前报道的绝大多数柔性薄膜类超级电容器不能直接贴合在人们皮肤上,这就限制了未来很多贴身便携式设备的应用,比如:人造皮肤、可穿戴的电子产品、柔性传感器以及集成电路等。因此,设计和发展出能直接贴合人体皮肤的柔性超级电容器成为了科研工作者的研究趋势。

经分析论证可以得知柔性可贴合皮肤的超级电容器需要同时满足以下几个要求:第一、超级电容器应该是固态的,当前很多基于液态电解液研发的超级电容器因为电解液的毒性或者腐蚀性以及复杂的包装工艺而受到限制;第二、超级电容器需要具备很好的弯曲和拉伸性能,以满足人体各部位皮肤的活动需求;第三、该设备应该有很好的机械稳定性,即电容性能不能因人体正常的运动而受到衰减;第四也是最有挑战性的一点,超级电容器所涉及的材料都需要具备优异的生物兼容性。

近期,北京大学化学院李彦课题组设计了一种柔性可贴合皮肤的固态超级电容器。该器件以医用亚克力胶修饰的肌肉胶带作为基底,通过铅笔书写的方式首先在其表面负载了一层石墨片,然后基于酸性高锰酸钾与石墨层的原位氧化还原反应得到MnO2/graphite电极材料。器件的整个制备过程绿色环保,各材料均是生物相容的,对人体皮肤安全可靠。这种可贴合皮肤的柔性超级电容器展示了优异的电容性能(在电流密度为1.0 mA cm-2时面积容量为40.2 mF cm-2)和稳定性能(循环2000次以后,电容保留值达到85%)。此外,将这种膏药式的薄膜超级电容器直接贴合在人体皮肤上,展现了满足要求的机械稳定性能:胳膊肘关节弯曲循环200次,电容量保留90%以上。

可贴合皮肤的超级电容器将会为将来柔性可穿戴的电子产品注入鲜活的动力。该项研究为今后柔性可贴合皮肤的储能设备的设计和发展提供了思路!相关工作以“Pencil-Drawing Skin-Mountable Micro-Supercapacitors”为题发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201804037)上。