Advanced Energy Materials:可拉伸超级电容器助力健康监测电子器件的储能

近年来兴起的健康监测设备可以持续地收集使用者的健康数据,得到使用者的生命体征、身体运动、新陈代谢、甚至体内某些生物标志物浓度的数据,为身体状况的密切监控以及疾病的预防与早期诊断提供重要信息。健康监测设备对其储能元件有一些较为特殊的要求。首先,功率单元以及设备本身需要具有良好的可拉伸性,以确保与身体紧密贴合,进而保证良好的传感性能。其次,设备需要具有良好的生物相容性,以避免有害的免疫反应和其他不利影响。最后,考虑到健康监测设备功耗小的特点,储能元件需要有较快的充放电速度,以收集间歇性运动产生的能量,减小充电的时间成本。在众多的储能元件中,可拉伸柔性超级电容器由于其具有优异的功率密度、能量密度、循环稳定性、拉伸性和生物兼容性等特性,有望成为健康监测生物电子设备理想的储能元件。

深圳大学生物医学工程学院的陈雪博士、李自达助理教授、孔湉湉副教授及相关团队的成员们,在这篇综述中梳理了可拉伸超级电容器在健康监测设备中作为储能单元的最新进展,并总结了在不同的应用中对生物相容性、可拉伸和电化学性能的要求。作者首先介绍了可拉伸超级电容器的基本概念,包括电化学机理、电极和电解质材料的选取、器件的设计和制备方法。然后,作者根据生物相容性的不同,对可拉伸超级电容器在不同的场景下的应用进行了概述,包括非接触式(non-touching)、皮肤接触式(skin-touching)、适体式(skin-conforming)可穿戴设备和可植入设备。最后,文章还讨论了可拉伸超级电容器的集成模块在健康监测设备中的具体应用,包括集成能量收集单元和传感单元。最后,他们讨论了现有技术中存在的挑战和潜在的解决方案。作者们认为可拉伸超级电容器及其集成模块在健康监测设备领域具有巨大的应用潜力,但目前要实现该应用还存在技术难题,需要通过材料、结构设计、加工方法的协同创新才能得到有效的解决。作者相信,未来通过对可拉伸超级电容器的进一步研究,全新的健康监测设备为给医学诊断和治疗翻开新的篇章。相关工作以“Stretchable Supercapacitors as Emergent Energy Storage Units for Health Monitoring Bioelectronics”为题,在线发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201902769)上。