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?西工大馬越ACS Nano：多功能健康監(jiān)測(cè)電子設(shè)備的水凝膠電解質(zhì)用于柔性鋅離子電池

大多數(shù)柔性傳感器依賴(lài)于復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和外部電源，從而限制了智能電子的集成度和小型化。因此，環(huán)境適應(yīng)性電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制備能夠進(jìn)行時(shí)間分辨、長(zhǎng)期信號(hào)監(jiān)測(cè)的可穿戴電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

在此，西北工業(yè)大學(xué)馬越團(tuán)隊(duì)提出了一種一體策略即利用水凝膠作為離子導(dǎo)電介質(zhì)用于柔性水系鋅離子電池和可穿戴應(yīng)變傳感器。具體而言，聚(乙烯醇)水凝膠網(wǎng)絡(luò)將納米SiO₂和纖維素納米纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)PSC)納入乙二醇/水混合溶劑中，在?20℃下平衡了機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度為6 MPa)和離子擴(kuò)散率。

基于此，Zn∥PSC∥V₂O₅在寬溫度范圍內(nèi)(- 20 ~ 80℃)具有強(qiáng)大的可循環(huán)性。此外，該微器件將鋅離子電池與應(yīng)變傳感器無(wú)縫集成，能夠精確監(jiān)測(cè)人體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉反應(yīng)。

圖1. 自供電應(yīng)變傳感器裝置設(shè)計(jì)

總之，該工作建立了一種耐高/低溫的水凝膠，其可在具有應(yīng)變傳感器和電池模塊集成的可穿戴電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、時(shí)間分辨的信號(hào)監(jiān)測(cè)。結(jié)合機(jī)械增強(qiáng)聚合物網(wǎng)絡(luò)（納米 SiO₂ 和 CNF 添加劑）和氫鍵網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，PSC 水凝膠表現(xiàn)出增強(qiáng)的機(jī)械性能和 -20 °C 下的高離子電導(dǎo)。

結(jié)果顯示，該種可穿戴微器件通過(guò)調(diào)節(jié) Zn²⁺ 傳輸路徑，將耐極端溫度（?20 至 80 °C）、高面積容量的 Zn∥PSC∥V₂O₅電池與應(yīng)變傳感器無(wú)縫集成，解決了動(dòng)態(tài)肌肉運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)。此外，借助透射模式原位 X 射線(xiàn)，集成微型器件捕獲了電池運(yùn)行期間的實(shí)時(shí)相位演變和同步壓力變化。因此，該項(xiàng)研究不僅展示了一種柔性、機(jī)械增強(qiáng)、生物相容性水凝膠作為RAZB 和應(yīng)變傳感器的離子導(dǎo)電介質(zhì)，而且還為可穿戴電子產(chǎn)品的小型化和集成設(shè)計(jì)提供了見(jiàn)解。

圖2. 測(cè)量鋅沉積/剝離引起應(yīng)力變化的微型傳感器裝置示意圖

A Hydrogel Electrolyte toward a Flexible Zinc-Ion Battery and Multifunctional Health Monitoring Electronics, ACS Nano 2024 DOI: 10.1021/acsnano.4c00085

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