可穿戴柔性智能設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著重要而深遠(yuǎn)的意義。隨著人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展,可穿戴力傳感器已經(jīng)被廣泛用于人體健康監(jiān)測。與傳統(tǒng)剛性壓電材料相比,柔性導(dǎo)電凝膠具有超柔性、生物相容性好、制備流程簡單的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是理想的柔性傳感器材料。近年來,研究者致力于制備出具有高靈敏度、耐用性和出色的可穿戴性的新型離子凝膠應(yīng)變傳感器,并取得了較大突破。然而,這些基于離子凝膠的傳感器需要連接外部儲(chǔ)能設(shè)備功能,這限制了實(shí)際應(yīng)用。自供電傳感系統(tǒng)為解決這一問題提供了思路,因?yàn)樗鼈兡軌驈募呻娫粗蝎@取電源儲(chǔ)能裝置,使得傳感元件無需外部電源即可操作。柔性全固態(tài)超級(jí)電容器由于其優(yōu)點(diǎn)(如使用壽命長,可靠的安全性和高功率密度)成為外部電源的最佳選擇之一。與此同時(shí),具有固態(tài)電解質(zhì)和隔膜雙重作用的離子凝膠電解質(zhì)是近年來制造柔性全固態(tài)超級(jí)電容器的一大熱點(diǎn)。終上所述,合理設(shè)計(jì)的多功能離子凝膠電解質(zhì)有望成為同時(shí)制備高性能離子凝膠傳感器和全固態(tài)超級(jí)電容器及其集成系統(tǒng)的核心材料。

近日,福州大學(xué)石油化工學(xué)院江獻(xiàn)財(cái)副教授與福建物構(gòu)所官輪輝研究員及其研究團(tuán)隊(duì)基于聚乙烯醇/聚(丙烯酸酰胺-丙烯酸)/甘油/氯化鈉(PVA/PAMAA/Gly/NaCl)制備離子油凝膠。甘油和氯化鈉的引入使凝膠具有良好的韌性、高導(dǎo)電性和粘合性,在寬的溫度范圍保持穩(wěn)定并具有良好的自修復(fù)性能力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步組裝成由柔性應(yīng)變傳感器和全固態(tài)超級(jí)電容器構(gòu)筑的自供能集成傳感系統(tǒng)。由超級(jí)電容器驅(qū)動(dòng)的應(yīng)變的傳感器可作為可穿戴設(shè)備直接貼附在人體皮膚/織物上且實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、心率測量等人體健康參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖文詳解

1. 基于離子油凝膠的自供能傳感器的制備

研究者通過一鍋法在紫外光引發(fā)下通過自由基原位聚合,以PVA和PAMAA為聚合物網(wǎng)絡(luò),利用NaCl的鹽析效應(yīng)和氫鍵復(fù)合得到了離子油凝膠電解質(zhì)?;陔x子油凝膠電解質(zhì),通過ITO/PET作為集流體組裝可拉伸的離子油凝膠應(yīng)變傳感器。

同時(shí),使用合成的離子油凝膠作為固態(tài)電解質(zhì),并以巴克紙作為電極, 引入ITO/PET集流體,用PDMS彈性體進(jìn)行封裝以制備柔性全固態(tài)超級(jí)電容器。柔性固態(tài)超級(jí)電容器可作為儲(chǔ)能設(shè)備,驅(qū)動(dòng)應(yīng)變傳感器作為可穿戴的集成傳感系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測。

?《Mater.Horiz.》:基于高性能離子油凝膠電解質(zhì)的集成可穿戴自供能柔性傳感系統(tǒng)
圖1:(a) 制備PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠電解質(zhì)的示意圖,(b) 離子油凝膠應(yīng)變傳感器的制備,(c) 基于CNTs薄膜電極的柔性全固態(tài)超級(jí)電容器的制備,(d) 集成自供能傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用。

 

2. PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠的結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)性能

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圖2:具有不同NaCl含量的PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠的表征

 

如圖2所示,隨著NaCl用量的提升,PVA/PAMAA/NaCl離子油凝膠電解質(zhì)變得更加強(qiáng)韌,其拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂能逐漸提升,而斷裂伸長率的變化則與之相反。這主要是由于凝膠中的微孔結(jié)構(gòu)能夠更好分散外界所施加的應(yīng)力,避免應(yīng)力集中,賦予了離子油凝膠電解質(zhì)更強(qiáng)的機(jī)械性能。同時(shí),鏈纏繞引起的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在一定程度減弱了分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性,導(dǎo)致斷裂伸長率下降。此外,由于甘油的引入,凝膠電解質(zhì)在低溫條件下依然保持良好的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能。

3. PVA/PAMAA/Gly/NaCl離子油凝膠的粘性和自修復(fù)性

如圖3a所示,類似于膠帶,離子油凝膠可以緊緊地粘附在如鋼、陶瓷、玻璃和橡膠等不同的親水和疏水基材表面上,具有對(duì)各種基材長期以及可重復(fù)的粘合性。圖3b和c表明,離子油凝膠電解質(zhì)在破壞修復(fù)過程后仍具有良好的機(jī)械性能,且修復(fù)效率高,修復(fù)速度快。

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圖3:離子油凝膠的粘性展示及自修復(fù)性能

 

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圖4:離子油凝膠柔性應(yīng)變傳感器的傳感性能

 

由于其良好的柔韌性和導(dǎo)電性,離子油凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的傳感特性,在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、監(jiān)測范圍及耐久性上都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能(圖4)。

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圖5:基于離子油凝膠的柔性固態(tài)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能

 

利用離子油凝膠電解質(zhì)良好的粘性和突出的離子傳輸能力,以其為固態(tài)電解質(zhì)組裝的柔性固態(tài)超級(jí)容器具有良好面積比容量(75 mF cm-2)和優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性,且能在連續(xù)彎折過程中保持良好的電容性能。

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圖6:集成自供能傳感系統(tǒng)在人體健康監(jiān)測中的應(yīng)用

 

此外,為了驗(yàn)證自供能可穿戴傳感器對(duì)多部位肢體運(yùn)動(dòng)檢測的有效性,針對(duì)不同人體運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。如圖6 所示,基于離子油凝膠的自供能可穿戴傳感器成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同人體運(yùn)動(dòng)頻率、速度、幅度等信息的全方位同步監(jiān)測。該工作中設(shè)計(jì)制備的自供能可穿戴傳感器在人體運(yùn)動(dòng)檢測和醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的潛在應(yīng)用前景。

以上相關(guān)工作以“Self-powered integrated system of a strain sensor and flexible all-solid-state supercapacitor by using a high performance ionic organohydrogel”為題,發(fā)表在《Materials Horizons》雜志上。本文的第一作者為福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院-福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士生黃建仁以及福州大學(xué)石油化工學(xué)院的碩士生彭水嬌、谷建鋒,通訊作者為江獻(xiàn)財(cái)副教授和官輪輝研究員。

該工作得到國家自然科學(xué)基金和福建省青年基金項(xiàng)目的資助與支持。福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對(duì)該研究提供了幫助和指導(dǎo)。

原文鏈接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00100g#!divAbstract (DOI: 10.1039/d0mh00100g)

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