【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員、師曉宇副研究員團隊與中國科學院深圳先進技術研究院成會明院士合作，在皮膚可粘附的集成化微型電化學能源系統研究方面取得新進展。團隊通過在材料、界面、結構設計和制備策略等方面的協同優化，開發了一種MXene基可拉伸、一體化集成的無線充電-儲能-傳感微系統。
用于監測生理信號的皮膚粘附傳感器件已在健康監測和康復訓練中展現出重要應用潛力。為了實現持續穩定的運行，需要將高度柔性的能量采集和儲能器件集成到有限空間的傳感系統中。然而，由于這些模塊通常采用不同的材料，并且依賴于各自獨立的制造工藝，不僅增加了系統小型化和集成化的難度，還導致界面兼容性較差，尤其是在機械形變狀態下，極易引發界面分層、斷裂和失效等問題。
本工作中，團隊提出一種將微型超級電容器和應變傳感器集成在無線接收線圈內部的設計理念，并結合預拉伸策略和激光刻蝕工藝，構筑了可拉伸的MXene基一體化微系統。其中，MXene同時作為無線接收線圈、微型超級電容器電極和傳感材料，從而消除了模塊間的界面，改善了微系統的機械穩定性，整體面積僅為1.4cm*1.4cm。預拉伸形成的褶皺結構和圖案中無連接界面的設計賦予了整個系統500%的面積應變。研究發現，微型超級電容器在1000次雙向拉伸后，電容保持率達98.5%，甚至在動態拉伸的過程中也具有與靜態條件下一致的充放電行為。無線接收線圈能在20s內穩定地將微型超級電容器充至滿電，且多次無線充電-恒流放電循環后容量無衰減。此外，該微系統可以貼合在皮膚上，實現對手指彎曲、手背拉伸、按壓等多種動作的快速響應。該工作為一體化、集成化、可穿戴微型電化學能源系統的研究與發展提供了新思路。
508組長期致力于微能源集成系統的開發，近年來取得了系列研究進展，包括開發微型超級電容器-氣體傳感系統(Adv. Funct. Mater.，2020)、微型超級電容器-壓力傳感系統(Adv. Energy Mater.，2021)、自供電溫度傳感系統(Adv. Energy Mater.，2021)、自供電壓力傳感系統(Adv. Mater.，2021)、自供電雙通道氣體傳感系統(Nano Energy，2021)等，并綜述了其最近研究進展(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。以上工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。
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