由于可穿戴和植入式电子设备的快速发展，迫切需要可伸缩的身体集成能源系统。将摩擦纳米发电机与超级电容器集成的自供电能量收集/存储系统已被证明可以收集生活环境和身体运动中无处不在的生物力学能量。然而，这些集成电力系统的能量来源于自然和人体，存在一定的间歇性和不确定性，限制了它们的实际应用。此外，目前关于无线充电和超级电容器集成的研究存在一些关键的缺点，包括i)它们动态变形稳定性差，特别是线圈结构在拉伸时变形，导致严重的电气化性能衰减；ii)它们只能实现电能的储存，而不能控制释放；iii)不同组件之间的电气连接很脆弱。因此，迫切寻求一种高性能的超级电容器和无线充电无缝集成设备。
兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授团队提出了一种可拉伸、可无线充电、带可控开关的人体集成能源供应系统。为了实现系统的无缝集成，我们使用部分氧化液态金属(o-LM)在弹性基板上构建了可拉伸电路。能量接收线圈、导电线和超级电容器集流器均由液态金属制成。二维层状MXene纳米薄膜被选为高性能伪电容材料。MXene表面丰富的含氧官能团可通过强氢键作用与o-LM层形成动态接触界面。组装后的微型超级电容器具有优异的电化学储能性能和全向拉伸稳定性。此外，系统中使用的所有材料在细胞和组织层面都具有生物兼容性。通过几种灵活的可穿戴电子设备和对 SpragueDawley (SD)大鼠的植入式电刺激，进一步证明了该系统的供电能力。
1.人体集成可伸缩能源供应系统的设计
以镓基液态金属作为导电衬底，并不断搅拌液态金属以使其表面被氧化并增加粘度。然后，通过刮擦和激光雕刻技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性基材上设计并构建了包括导线、线圈和超级电容器集流体在内的可拉伸电路。无线充电模块由一个线圈和一个小型整流模块组成，不仅可以为储能单元充电，还可以单独为其供电。通过真空辅助过滤制备的细菌纤维素改性MXene (MXene/BC)薄膜通过强氢键相互作用紧密粘附在液态金属层上，从而组装微型超级电容器(MSC)作为储能单元。为了实现按需供电，进一步精心设计了可控开关电路，包括三极管和光电二极管。三极管的主要功能是放大电流。充电后，可以通过切换外部红外(IR)光照射来实现集成系统的按需能源供应。
图1 人体集成可拉伸能源供应系统的概述和设计思路。(a)集成系统的制作过程、电路图和应用场景。(b)系统各部分的工作原理示意图，包括无线充电、储能、光控开关和输出电压。(c)系统在拉伸、扭曲、缠绕和皱缩状态下的照片。
2.MXene电极和o-LM层的组合
采用搅拌氧化方法来诱导氧化镓(Ga2O3)薄膜。使其形成高粘度o-LM浆料，便于刮涂在PDMS基材上。细菌纤维素(BC)纳米纤维作为支柱插入MXene夹层之间，以抑制自堆叠并获得扩大的层间距。如图3d所示。在相同的MXene质量加载条件下，横截面SEM图像显示，引入BC后MXene复合膜的厚度显著增加。两层膜之间的拉断力结果显示，MXene/BC复合膜可以承受200g的重量而不会分离。这主要是由于LM表面存在氧化层导致润湿性增强，以及与MXene/BC复合膜上含氧官能团形成氢键相互作用。考虑到这种强大的界面附着力，MXene/BC复合薄膜可以直接用于构建可拉伸超级电容器，而无需使用任何粘合剂。
图2 o-LM和MXene/BC电极的形态和结构特征。(a)泥浆状o-LM及其汉字和二维码图案的数码照片。(b)在加载/卸载操作过程中，印刷o-LM导电线在X刻度和Y刻度方向上的归一化电阻与应变的函数关系。(c)获得的几层MXene纳米片的TEM图像，插图显示了相应的SAED图案。(d)用过滤后的MXene/BC 复合薄膜折叠的纸鹤照片。(e)纯MXene和(f)MXene/BC复合薄膜的典型截面SEM图像。(g)纯MXene薄膜和MXene/BC复合薄膜的XRD图样和计算得出的d-间距。(h)测量的MXene/BC复合薄膜与o-LM的粘附力，以及(i)它们之间的相关粘附机理。
3.基于MXene/BC 的 MSC 的电化学性质
MXene/BC复合薄膜的CV曲线面积明显大于纯MXene薄膜，显示出70mF cm-2的面积电容。此外，与纯MXene相比，基于MXene/BC的MSC的CV曲线呈现典型的矩形，这表明BC的引入扩大了Ti3C2TxMXene的层间距，促进了电子和离子的转移，从而增加了电容。在GCD曲线中，对称的充放电曲线反映出 MXene/BC和纯MXene基MSC中的库仑效率接近100%，表明存在可逆的插层伪电容行为。根据CV和GCD曲线的计算结果，在扫描速率为1mVs-1时，基于MXene/BC的MSC显示出121mF cm-2的超高等面积电容，高于纯MXene的电容。值得注意的是，即使在100mVs-1的扫描速率下，基于MXene/BC的MSC仍能保持高达76mF cm-2的电容值，而且扫描速率表现出色(60%)。这可以归因于MXene层之间BC的掺入，导致层间间距扩大，同时保持其良好的导电性。
图3 基于MXene/BC的MSC的电化学特性。(a)基于MXene/BC的MSC的结构图，表明其具有伪电容储能行为。(b)o-LM集流器、纯MXene和MXene/BC基MSC的CV曲线。(c)基于MXene/BC的MSCs在不同扫描速率下的CV曲线和(d)基于MXene/BC的MSCs在不同电流密度下的GCD曲线。(e)根据CV和GCD曲线得出的基于MXene/BC的间充质干细胞的速率能力。(f)基于MXene/BC的间充质干细胞的Ragone图与其他已报道的间充质干细胞的比较。(g)基于MXene/BC的间充质干细胞在5000次循环中的电化学稳定性与循环次数的关系。(h)基于MXene/BC的间充质干细胞串联和并联的CV曲线。
4. MSC的变形稳定性和可穿戴电源演示
不同拉伸强度下沿X尺度方向测量的MSC的CV曲线显示。当拉伸强度从初始值增加到100%时，MSC的CV曲线几乎重合且呈矩形，这表明o-LM和MXene/BC复合薄膜之间的界面接触非常稳定。此外，当沿Y尺度方向和双向方向拉伸时，基于MXene/BC的MSC也表现出出色的拉伸稳定性。图5g显示了附着在手指关节上的MSC的照片，其耐磨性与皮肤无缝集成。当关节弯曲和展开时，CV曲线不会改变，这表明基于MXene/BC的MSC在可穿戴电子产品中的巨大潜力。此外，串联MSC可以粘附在气球上，充电后可以点亮商用LED，并在气球膨胀/收缩期间保持恒定亮度。此外，进一步引入了成熟的无线充电模块，设计了一种将无线充电与储能设备集成的能源供应系统。当外部发射芯片靠近接收线圈时，无线捕获的能量可以为MSC单元充电，同时输出电能驱动电子手表。充电后，存储在MSC中的能量将继续为电子手表供电。
图4 基于MXene/BC的间充质干细胞的变形稳定性。(a)粘附在各种形状物体表面的间充质干细胞照片。基于MXene/BC的间充质干细胞在沿(b)X尺度方向(c)Y尺度方向和(d)双向方向施加应变(伸长率从0%到100%不等时的CV曲线。(e)根据相应的CV积分面积计算的间充质干细胞电容保持率。(f)沿X轴方向从0%拉伸至50%的间充质干细胞在5,000个循环周期内的循环稳定性。(g)连接到手指上的间充质干细胞的照片，以及(h)手指在不同状态下的相应CV曲线。(i)连接到充气气球上的串联间充质干细胞阵列照片。(j)系统贴在手腕上为电子手表无线充电和供电的电源演示。
本文成功开发了一种可拉伸、生物相容性和无线可充电的供能系统。使用o-LM浆料通过简单的刮擦工艺，直接在弹性基板上构建一个可拉伸电路，包括接收线圈、导线和超级电容器集流体。将BC纳米纤维引入MXene中间层促进了电解质离子的插入并改善了离子扩散动力学。利用其表面丰富的官能团，与LM形成强氢键相互作用，保证在拉伸变形过程中保持动态可逆接触界面。组装的MSC表现出优异的储能性能和双轴拉伸稳定性。此外，该系统中使用的所有材料在细胞和组织水平上都表现出良好的生物相容性。它的电源能力已在多种电子设备和动物体内的植入式电刺激中得到充分证明。
本文构建了集无线充电、储能单元和光控开关电路于一体的可伸缩供能系统，并全面演示了该系统在可穿戴电子设备和植入式脉冲电刺激方面的能源供应潜力。
利用搅拌的方法可以诱导液态金属表层氧化，可形成高粘度的氧化液态金属浆料，使其可用于通过激光雕刻工艺和设计各种图案，如汉字和二维码。
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110612
《电子产品的无电池化，对IoT、6G、医疗及可穿戴的市场影响-2021版》
《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》
《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
由于可穿戴和植入式电子设备的快速发展，迫切需要可伸缩的身体集成能源系统。将摩擦纳米发电机与超级电容器集成的自供电能量收集/存储系统已被证明可以收集生活环境和身体运动中无处不在的生物力学能量。然而，这些集成电力系统的能量来源于自然和人体，存在一定的间歇性和不确定性，限制了它们的实际应用。此外，目前关于无线充电和超级电容器集成的研究存在一些关键的缺点，包括i)它们动态变形稳定性差，特别是线圈结构在拉伸时变形，导致严重的电气化性能衰减；ii)它们只能实现电能的储存，而不能控制释放；iii)不同组件之间的电气连接很脆弱。因此，迫切寻求一种高性能的超级电容器和无线充电无缝集成设备。
兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授团队提出了一种可拉伸、可无线充电、带可控开关的人体集成能源供应系统。为了实现系统的无缝集成，我们使用部分氧化液态金属(o-LM)在弹性基板上构建了可拉伸电路。能量接收线圈、导电线和超级电容器集流器均由液态金属制成。二维层状MXene纳米薄膜被选为高性能伪电容材料。MXene表面丰富的含氧官能团可通过强氢键作用与o-LM层形成动态接触界面。组装后的微型超级电容器具有优异的电化学储能性能和全向拉伸稳定性。此外，系统中使用的所有材料在细胞和组织层面都具有生物兼容性。通过几种灵活的可穿戴电子设备和对 SpragueDawley (SD)大鼠的植入式电刺激，进一步证明了该系统的供电能力。
1.人体集成可伸缩能源供应系统的设计
以镓基液态金属作为导电衬底，并不断搅拌液态金属以使其表面被氧化并增加粘度。然后，通过刮擦和激光雕刻技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性基材上设计并构建了包括导线、线圈和超级电容器集流体在内的可拉伸电路。无线充电模块由一个线圈和一个小型整流模块组成，不仅可以为储能单元充电，还可以单独为其供电。通过真空辅助过滤制备的细菌纤维素改性MXene (MXene/BC)薄膜通过强氢键相互作用紧密粘附在液态金属层上，从而组装微型超级电容器(MSC)作为储能单元。为了实现按需供电，进一步精心设计了可控开关电路，包括三极管和光电二极管。三极管的主要功能是放大电流。充电后，可以通过切换外部红外(IR)光照射来实现集成系统的按需能源供应。
图1 人体集成可拉伸能源供应系统的概述和设计思路。(a)集成系统的制作过程、电路图和应用场景。(b)系统各部分的工作原理示意图，包括无线充电、储能、光控开关和输出电压。(c)系统在拉伸、扭曲、缠绕和皱缩状态下的照片。
2.MXene电极和o-LM层的组合
采用搅拌氧化方法来诱导氧化镓(Ga2O3)薄膜。使其形成高粘度o-LM浆料，便于刮涂在PDMS基材上。细菌纤维素(BC)纳米纤维作为支柱插入MXene夹层之间，以抑制自堆叠并获得扩大的层间距。如图3d所示。在相同的MXene质量加载条件下，横截面SEM图像显示，引入BC后MXene复合膜的厚度显著增加。两层膜之间的拉断力结果显示，MXene/BC复合膜可以承受200g的重量而不会分离。这主要是由于LM表面存在氧化层导致润湿性增强，以及与MXene/BC复合膜上含氧官能团形成氢键相互作用。考虑到这种强大的界面附着力，MXene/BC复合薄膜可以直接用于构建可拉伸超级电容器，而无需使用任何粘合剂。
图2 o-LM和MXene/BC电极的形态和结构特征。(a)泥浆状o-LM及其汉字和二维码图案的数码照片。(b)在加载/卸载操作过程中，印刷o-LM导电线在X刻度和Y刻度方向上的归一化电阻与应变的函数关系。(c)获得的几层MXene纳米片的TEM图像，插图显示了相应的SAED图案。(d)用过滤后的MXene/BC 复合薄膜折叠的纸鹤照片。(e)纯MXene和(f)MXene/BC复合薄膜的典型截面SEM图像。(g)纯MXene薄膜和MXene/BC复合薄膜的XRD图样和计算得出的d-间距。(h)测量的MXene/BC复合薄膜与o-LM的粘附力，以及(i)它们之间的相关粘附机理。
3.基于MXene/BC 的 MSC 的电化学性质
MXene/BC复合薄膜的CV曲线面积明显大于纯MXene薄膜，显示出70mF cm-2的面积电容。此外，与纯MXene相比，基于MXene/BC的MSC的CV曲线呈现典型的矩形，这表明BC的引入扩大了Ti3C2TxMXene的层间距，促进了电子和离子的转移，从而增加了电容。在GCD曲线中，对称的充放电曲线反映出 MXene/BC和纯MXene基MSC中的库仑效率接近100%，表明存在可逆的插层伪电容行为。根据CV和GCD曲线的计算结果，在扫描速率为1mVs-1时，基于MXene/BC的MSC显示出121mF cm-2的超高等面积电容，高于纯MXene的电容。值得注意的是，即使在100mVs-1的扫描速率下，基于MXene/BC的MSC仍能保持高达76mF cm-2的电容值，而且扫描速率表现出色(60%)。这可以归因于MXene层之间BC的掺入，导致层间间距扩大，同时保持其良好的导电性。
图3 基于MXene/BC的MSC的电化学特性。(a)基于MXene/BC的MSC的结构图，表明其具有伪电容储能行为。(b)o-LM集流器、纯MXene和MXene/BC基MSC的CV曲线。(c)基于MXene/BC的MSCs在不同扫描速率下的CV曲线和(d)基于MXene/BC的MSCs在不同电流密度下的GCD曲线。(e)根据CV和GCD曲线得出的基于MXene/BC的间充质干细胞的速率能力。(f)基于MXene/BC的间充质干细胞的Ragone图与其他已报道的间充质干细胞的比较。(g)基于MXene/BC的间充质干细胞在5000次循环中的电化学稳定性与循环次数的关系。(h)基于MXene/BC的间充质干细胞串联和并联的CV曲线。
4. MSC的变形稳定性和可穿戴电源演示
不同拉伸强度下沿X尺度方向测量的MSC的CV曲线显示。当拉伸强度从初始值增加到100%时，MSC的CV曲线几乎重合且呈矩形，这表明o-LM和MXene/BC复合薄膜之间的界面接触非常稳定。此外，当沿Y尺度方向和双向方向拉伸时，基于MXene/BC的MSC也表现出出色的拉伸稳定性。图5g显示了附着在手指关节上的MSC的照片，其耐磨性与皮肤无缝集成。当关节弯曲和展开时，CV曲线不会改变，这表明基于MXene/BC的MSC在可穿戴电子产品中的巨大潜力。此外，串联MSC可以粘附在气球上，充电后可以点亮商用LED，并在气球膨胀/收缩期间保持恒定亮度。此外，进一步引入了成熟的无线充电模块，设计了一种将无线充电与储能设备集成的能源供应系统。当外部发射芯片靠近接收线圈时，无线捕获的能量可以为MSC单元充电，同时输出电能驱动电子手表。充电后，存储在MSC中的能量将继续为电子手表供电。
图4 基于MXene/BC的间充质干细胞的变形稳定性。(a)粘附在各种形状物体表面的间充质干细胞照片。基于MXene/BC的间充质干细胞在沿(b)X尺度方向(c)Y尺度方向和(d)双向方向施加应变(伸长率从0%到100%不等时的CV曲线。(e)根据相应的CV积分面积计算的间充质干细胞电容保持率。(f)沿X轴方向从0%拉伸至50%的间充质干细胞在5,000个循环周期内的循环稳定性。(g)连接到手指上的间充质干细胞的照片，以及(h)手指在不同状态下的相应CV曲线。(i)连接到充气气球上的串联间充质干细胞阵列照片。(j)系统贴在手腕上为电子手表无线充电和供电的电源演示。
本文成功开发了一种可拉伸、生物相容性和无线可充电的供能系统。使用o-LM浆料通过简单的刮擦工艺，直接在弹性基板上构建一个可拉伸电路，包括接收线圈、导线和超级电容器集流体。将BC纳米纤维引入MXene中间层促进了电解质离子的插入并改善了离子扩散动力学。利用其表面丰富的官能团，与LM形成强氢键相互作用，保证在拉伸变形过程中保持动态可逆接触界面。组装的MSC表现出优异的储能性能和双轴拉伸稳定性。此外，该系统中使用的所有材料在细胞和组织水平上都表现出良好的生物相容性。它的电源能力已在多种电子设备和动物体内的植入式电刺激中得到充分证明。
本文构建了集无线充电、储能单元和光控开关电路于一体的可伸缩供能系统，并全面演示了该系统在可穿戴电子设备和植入式脉冲电刺激方面的能源供应潜力。
利用搅拌的方法可以诱导液态金属表层氧化，可形成高粘度的氧化液态金属浆料，使其可用于通过激光雕刻工艺和设计各种图案，如汉字和二维码。
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110612
《电子产品的无电池化，对IoT、6G、医疗及可穿戴的市场影响-2021版》
《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》
《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
