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一、研究背景

       可拉伸电子器件具有轻薄柔软、富有弹性以及可与任意曲面紧密贴合等优势，在人体穿戴与植入式应用领域备受关注。为实现对人体生理信号的持续、实时监测，稳定而充足的能量供给成为关键。超级电容器以其高能量密度、长使用寿命、结构设计灵活以及易于集成等特点，被视为理想的可拉伸电子供能方案之一。然而，传统超级电容器受限于刚性电极材料与结构设计，难以适应人体组织的动态形变需求。为提升其拉伸、弯曲与扭转等机械性能，已有研究提出了基于岛桥结构、褶皱构型、纤维组装等多种电极设计策略。然而，超级电容器的机械形变能力、电极结构稳定性、电学性能与电化学性能之间存在复杂的耦合关系，常常相互制约。此外，受限于电极结构设计，活性材料的负载量普遍偏低，导致器件整体容量受限。因此，创新电极构效关系，是实现机械形变能力与电化学储能性能协同提升的关键路径。

二、文章简介

       针对上述挑战，孔德圣教授研究团队提出模仿犰狳甲壳的弹性三维电极结构。犰狳甲壳由刚性骨片与弹性胶原纤维组成，兼具身体防护功能与自由活动能力。受其启发，该电极结构由微型柱状阵列与集流体构成，其中微型柱作为负载电极材料的骨架。电极的刚度梯度促使拉伸应变在平面内非均匀分布，使微型柱几乎不产生形变，进而保障电极微观结构稳定性，实现机械形变能力与电化学性能之间的“解耦合”。微型柱状阵列凭借其多孔结构实现了对活性材料的高负载，单位面积负载量提升至商业化水平（10 mg/cm²）。基于该设计，研究团队成功制备出具有高面容量（244.5 mF/cm²）且对应变不敏感的PEDOT基超级电容器，并进一步将其集成于自供能可穿戴电子系统中，展现出良好的应用前景。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials上。柏冲特任副研究员为论文第一作者，陆延青教授和孔德圣教授为共同通讯作者。

图1. 面向可拉伸超级电容器的仿生弹性三维电极。a) 兼具保护身体和形变能力的犰狳甲壳。b) 弹性三维电极结构示意图。c) 弹性三维电极在不同机械形变状态下数码照片。d) 可拉伸超级电容器驱动的可穿戴电子系统。

三、研究内容

      1、借助激光加工技术将导电骨架加工成微型柱状阵列，通过热压手段与弹性集流体“焊接”成一体后制成弹性三维电极。导电骨架丰富的孔洞结构为PEDOT活性材料的负载提供了丰富的位点。对微型柱的宽度、厚度和PEDOT负载量进行优化，最终获得面积容量达到443 mF/cm²的弹性电极。

图2. 弹性三维电极的制备、微观结构表征和电化学性能表征。a) 电极的制备流程示意图。b) 微型柱状阵列的顶视和侧视显微镜照片。c) 三维骨架的SEM照片。d) 生长PEDOT后三维骨架的SEM照片。e)-f) 不同阵列宽度的三维电极的CV曲线和对应的面积容量。g)-h) 不同阵列厚度的三维电极的CV曲线和对应的面积容量。

       2、循环伏安（CV）测试表明弹性三维电极在拉伸应变下保持出色的电化学稳定性。三维电极的CV曲线几乎重合，在100%拉伸状态下容量保持率达到96.6%，展示出优秀的对拉伸应变不敏感性。这归因于类犰狳甲壳的仿生结构设计。相应的光学照片和仿真结果表明，三维骨架和集流体在机械刚度上的显著差异促使集流体吸收了绝大多数拉伸应变，三维骨架本身仅承受约5.1%的拉伸应变。PEDOT活性材料的微观结构稳定性得以被有效保存，进而保证了拉伸应变下的电化学储能性能。

图3. 拉伸应变下的弹性三维电极。a)-c) 基于不同阵列宽度的电极在拉伸应变下的CV曲线。d) 基于不同阵列宽度的电极在拉伸应变下的光学照片。e) 基于不同阵列宽度的电极承受的拉伸应变。f)-g) 弹性三维电极在100%拉伸应变下的局域应变分布。

       3. 利用弹性三维电极制备出PEDOT基超级电容器。得益于弹性三维电极在拉伸应变下出色的电化学性能，超级电容器在0-100%拉伸应变范围内展示出高达95.5%的容量保持率和几乎可以忽略不计的电压降。即使经过以50%应变连续形变1000次，超级电容器仍具备97.5%的容量保持率。值得注意的是，超级电容器在不同拉伸速率下动态形变过程中表现出几乎一致的充放电曲线，表现出优秀的复杂机械形变耐受性。

图4. 可拉伸超级电容器在拉伸应变下的电化学性能。a) 超级电容器在拉伸应变下的恒流充放电曲线。b) 超级电容器在拉伸应变下的交流阻抗图谱。c) 超级电容器在连续拉伸应变后的恒流充放电曲线。d) 超级电容器在动态拉伸应变过程中的恒流充放电曲线。

       借助激光加工技术，可拉伸超级电容器可以轻易的以串联或并联的形式集成，满足多种电子器件的能源供给需求。研究团队在前期研究基础上（ACS Materials Letters 4, 2401–2408 (2022)； ACS Nano 18, 13049–13060 (2024)；Advanced Science 12, e03449 (2025)），将可拉伸超级电容器与无线充电接收模组和LED显示阵列集成得到柔性电子器件。该电子器件将无线充电、能量存储和发光显示集一体，在贴合皮肤穿戴状态下正常工作。

图5. 可拉伸超级电容器驱动的柔性可穿戴电子器件。a)-b) 以串联或并联形式集成的超级电容器模组及对应的恒流充放电曲线。c) 柔性可穿戴电子器件的光学照片。d) 柔性可穿戴电子器件在机械形变下的光学照片。e) 无线充电模组的电压传输能力。f) 超级电容器模组在无线充电下的电化学储能能力。g)柔性可穿戴电子器件在贴肤穿戴下可以正常工作。

四、结论与展望

       本文借助模仿犰狳甲壳电极结构设计，调控弹性电极的局域应变分布，实现可拉伸超级电容器机械形变能力和电化学储能能力的解耦合，为开发高容量可拉伸储能器件提供了新研究范式。

五、致谢

       感谢国家重点研发计划（2022YFA1405000）及国家自然科学基金（62374083，52303344）项目的资助。

 

文章来源于科匠文化公众号