近日，美国宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系程寰宇助理教授，与福建闽江学院王军教授以及南京大学唐少龙教授等合作，实现了褶皱石墨烯力学传感器的自供能设计，研究论文以《用于自供电可拉伸系统的高能全合一可拉伸微超级电容器阵列和基于三维激光诱导石墨烯泡沫装饰介孔ZnP纳米片》(High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene foams decorated with mesoporous ZnP nanosheets for self-powered stretchable systems)为题发表于国际能源顶级刊物 Nano Energy。
DeepTech 联系到程寰宇，他表示这是一次中美科学家合作的成果。其中，闽江学院张诚博士为论文第一作者，程寰宇教授和王军教授为论文共同通讯作者，该研究受到国家自然科学基金、福建省教育厅中青年教育科研项目以及南京大学固体微结构物理国家重点实验室平台的支持。
自供能电子器件具有重大科学意义
研究痛点主要是，当前柔性电池、可穿戴设备等柔性电子器件凭借质量轻、易结合皮肤、能承受力学变形等优势，逐渐在器件制备中崭露头角。然而，目前所采用的传感器，普遍需要使用外部供能。此外，常见电池或超级电容器的能量密度低、拉伸能力也有限，这意味着它们无法很好地给柔性电子器件供电。
那么，有没有其他供电方式?程寰宇告诉 DeepTech，该研究团队考虑到，人体在热量散发、关键旋转、体重做功、中心垂直位移、组织和其它附属脏器的弹性形变过程中，可以产生电能，这就给柔性电子器件的供能提供了上好机会。因此，设计可穿戴的自供能电子器件有望实现这些设备自身的永久供能，具有重大科学意义和应用前景。
为此，研究团队考虑通过设计柔性可延展纳米发电机将人体机械能传化为电能，并将其存储于柔性可延展微型超级电容器阵列，从而实现基于褶皱石墨烯的力学传感器的自供能。
研究成果创新之处
程寰宇表示，本次研究主要有三大优势。
第一，材料方面，独特的非层状二维纳米材料磷化锌(Zn3P2)相比普通的二维层状材料，在同样具备高比表面积的情况下，不会因为范德华力(van der Waals force，分子间作用力)而使纳米材料层层堆积一起，从而有效保持纳米材料的高比表面积。同时，非层状二维纳米材料还可通过调节自身带宽 / 导电性、和材料上的缺陷特性等来进一步提升能量密度和器件性能。
第二，在非层状二维纳米材料磷化锌材料的基础上，通过低成本的激光照射扫描，可把商用聚酰亚胺或其他聚合物转变成激光诱导石墨烯多孔泡沫结构。这种多孔材料结构其一可以有效提高电极材料磷化锌的装载而提升能量密度，另一方面能够提升电子输运和保持高效的离子导电特性。此外，亲水的磷化锌纳米片在多孔泡沫上还可增加电解液亲润性，从而帮助离子快速进入，并使基于碳材料的石墨多孔泡沫通过产生电容来缩短电子离子的输运距离。这些协同作用，均体现出 ZnP@LIG 电极优异的电化学性能。
第三，和三明治结构的传统电容器相比，具有平面结构设计的超级电容器的厚度极大地降低，使其具备很好的弯曲特性，在比较大的弯曲变形过程中而不被破坏。此外，平面结构也能降低离子扩散距离，进而提高超级电容器的性能。而独特的岛桥结构让它具备可拉伸的功能。具体来说，就好比弹簧被拉开了一样，里面的材料本身没有被拉长，只是结构被展开。因而，超级电容器具备了可拉伸的性能，岛桥结构通过串并联连接同时也可以调节超级电容器的电压和电流输出以满足特定的需求。
程寰宇表示，岛桥结构的设计以后可以做更大、更多的阵列。对大型交通工具比如车、船、电动车等，这种设计能提高它们电流电压输出的能力。在超级电容器方面，现在使用的是摩擦电，未来也可使用压电、热电、柔性太阳能电池板等其他形式。在传感器方面，该团队现在驱动的应变传感器，将来也可用于驱动心电传感器、温度传感器、电化学传感器等，其中电化学传感器可以分析生物溶液(比如汗液 / 唾液 / 泪液 / 血液 / 尿液等)。
他还表示，开发基于单一多功能材料的所有组件的自供电系统，尽管还有很长的路要走。但是经过改进后，电子材料和器件结构的耦合设计原理，已被证明可为未来高性能可伸缩、或可穿戴系统发展的强大工具支撑。
在应用方面，据程寰宇介绍，一直和该团队合作的 Actuated Medical, Inc. 公司，有望继续就该成果进行合作。他表示：“我们和这家公司有多项合作项目，都是关于低成本柔性传感器，特别是围绕激光诱导石墨烯泡沫。”