新型水凝膠可穿戴發(fā)電器件經(jīng)受8000次彎曲，同時(shí)保持穩(wěn)定的電輸出。

中國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出一種完全可拉伸的濕氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，旨在讓可穿戴電子設(shè)備即使在反復(fù)彎曲和拉伸下也能持續(xù)運(yùn)行。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)表示，該器件克服了水凝膠基濕氣發(fā)電機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)之一——水凝膠與電極層之間的弱粘附力。不良的界面結(jié)合常常導(dǎo)致器件在形變過(guò)程中電輸出不穩(wěn)定和機(jī)械失效。

水凝膠濕氣發(fā)電機(jī)能夠?qū)h(huán)境中的濕氣轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)保持柔軟和可彎曲，因而受到越來(lái)越多的關(guān)注。此類系統(tǒng)正被探索用于可穿戴電子設(shè)備、植入式器件以及需要輕量化和持續(xù)電源的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

然而，許多現(xiàn)有系統(tǒng)在反復(fù)拉伸、扭轉(zhuǎn)或彎曲后很難維持穩(wěn)定的輸出。研究人員表示，水凝膠與電極之間較弱的界面相互作用通常會(huì)增大電阻，引起層間分離，從而限制電性能與長(zhǎng)期耐久性。

拉伸而不損失性能

為解決這一問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了一種高粘附性水凝膠，用以增強(qiáng)功能層與電極之間的界面。他們將水凝膠在水-甘油溶劑中溶脹，并與液態(tài)金屬和可拉伸銀電極集成，構(gòu)建出該發(fā)電機(jī)。

研究顯示，甘油的加入暴露了水凝膠內(nèi)部更多的氫鍵基團(tuán)，增加了水凝膠與電極之間的接觸點(diǎn)。這改善了粘附力，同時(shí)降低了界面電阻，有助于離子在受力狀態(tài)下更高效地在器件內(nèi)遷移。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，甘油提高了水凝膠的抗干燥、抗凍和抗溶脹性能，使其能在不同環(huán)境條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。他們報(bào)告稱，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，這種粘附性水凝膠降低了界面阻抗，并提升了離子輸運(yùn)效率。

借助從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬和密度泛函理論（DFT）計(jì)算，研究人員進(jìn)一步證實(shí)，增強(qiáng)的水凝膠-電極界面實(shí)現(xiàn)了更快的離子遷移，并降低了離子運(yùn)動(dòng)的能壘。

面向可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)

研究人員稱，該器件的輸出電壓超過(guò)0.94伏，電流密度達(dá)到每平方厘米141微安。團(tuán)隊(duì)表示，即便系統(tǒng)受到反復(fù)形變，電輸出仍保持穩(wěn)定。

該發(fā)電機(jī)還展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性。在1040次拉伸循環(huán)后，系統(tǒng)依然穩(wěn)定運(yùn)行。即使在180度角度下經(jīng)歷8000次彎曲循環(huán)，研究人員觀察到的性能衰減也幾乎可以忽略不計(jì)。

研究人員相信，這項(xiàng)技術(shù)可為那些在日常運(yùn)動(dòng)中需要柔性且穩(wěn)定能源的可穿戴電子設(shè)備提供支撐。研究中提及的潛在應(yīng)用包括呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自供能健康傳感器。

通過(guò)穩(wěn)定水凝膠-電極界面，研究人員表示，這項(xiàng)工作為提升軟電子系統(tǒng)的可靠性提供了一種更廣泛的策略。在這些系統(tǒng)中，機(jī)械應(yīng)力往往會(huì)隨時(shí)間推移損害性能。該方法還有助于指導(dǎo)未來(lái)柔性能量器件的開(kāi)發(fā)，使其能夠在苛刻的環(huán)境和機(jī)械條件下工作。

該研究發(fā)表在《納微快報(bào)》（Nano-Micro Letters）期刊上。

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