面向可穿戴电子的可拉伸弹性网格储能器件的研究

Wearable electronic devices have become a new trend in the electronics field. They needs power supply, however conventional inflexible and unstretchable power supply devices have compromised the wearability of the whole system. Thus, stretchable energy storage unit becomes a key component of wearable electronic devices..This project aims to study the common problems in stretchable energy storage devices for the application in wearable electronic systems, will focus on the study of the stretchable structure of microsupercapacitor arrays and the 3D electrode material of all-solid-state microsupercapacitors. The integration of energy storage devices and wireless charging circuits on the same stretchable substrate will also be studied. We, for the first time, propose a stretchable structure for electronic devices based on elastic mesh structures, which has the potential to break the bottleneck of the stretchability of current wearable electronic devices. High stretchability will be obtained by designing the location of the electronic devices and the connection wires at different strain regions on elastic mesh substrates. Moreover, we propose to incorporate solid electrolyte into 3D porous carbon electrodes to form ionic conducting network by physical mixture or chemical polymerization, which will potentially solve the penetration of solid electrolyte into 3D electrodes, enabling high-density energy storage of all-solid-state supercapacitors. This project will ultimately realize a high-performance stretchable energy storage system with wireless charging capability.

可穿戴设备已成为电子行业的焦点。基于可穿戴电子设备的供电需要，非柔性、不具拉伸性的传统能源供应装置使得整个系统的可穿戴性受到极大挑战。因此，可拉伸储能单元成为可穿戴电子设备发展中的一个关键环节。.本项目旨在研究面向可穿戴电子的可拉伸储能器件的共性问题，重点研究微型超级电容器阵列的可拉伸结构及全固态微型超级电容器3D电极材料，同时研究储能器件与无线充电电路在可拉伸基底上的集成。首次提出基于弹性网格结构的可拉伸电子器件结构，通过电子器件及连线在网格上不同应变区域的设计，有望突破目前可穿戴电子器件拉伸性能的瓶颈；此外，提出将固体电解质通过物理混合或化学合成的方法嵌入到3D多孔碳电极中形成离子导通网络，以解决固体电解质在3D电极中的渗透问题，实现高储能密度的全固态超级电容器；本项目将最终实现可拉伸的具有无线充电功能的高性能储能系统。

便携式、可穿戴电子设备的迅速发展，极大地增加了对具有高可拉伸性和可集成性的储能单元的需求。本项目首先研究了一种高能量密度的全固态三维微型超级电容器，提出了一种将凝胶电解质通过物理混合或化学合成的方法嵌入到三维多孔碳电极（石墨烯或活性炭）中形成离子导通网络，以解决固体电解质在三维电极中的渗透问题，降低固态超级电容器在充放电时离子的扩散路径。在5 mV/s的扫描速度下，以活性炭/凝胶电解质（AC/PE）和石墨烯/凝胶电解质(Graphene/PE)作为复合电极材料的三维微型超级电容器分别实现了高达95 mF/cm2和134 mF/cm2的电容密度，在保证了全固态可集成性的同时，电容密度上可与传统使用液态电解质的三维微型超级电容器相媲美；基于此全固态微型超级电容器技术，本项目进一步研究了一种基于蜂窝状结构衬底结构的具有超高可拉伸性能的微型超级电容器阵列。蜂窝状结构可以在阵列面临较大形变时降低分担到器件和连接上的应力。此项研究的结果显示，使用了蜂窝状机械结构和碳纳米管电极材料的微型超级电容器阵列可以在无预应变下实现150%的拉伸，在-50%的预拉伸下实现275%的预拉伸，同时可以实现阵列的弯曲和扭曲；除此之外，本项目研究了一种基于超薄PI衬底的高柔性、折叠性与卷曲性的高功率微型超级电容器。这种微型超级电容器可以实现在反复的弯曲、折叠和卷曲下不损耗其电容性能。器件功率密度高达1125 W/cm3，而充放电时间常数仅有1 ms，可以和商用电解电容器相媲美。此外，此微型超级电容器充放电速度可达1000 V/s，电容密度达1.6 F/cm3，能量密度达1.6 mWh/cm3，同时可以在100000次充放电后仍然保留96%的初始容量。本项目的直接成果已发表成高水平SCI论文3篇，包括ACS Nano，NPG Journal of Microsystems&Nanoengineering, Nanotechnology等高水平期刊，以及EI论文2篇，发表在MEMS领域高水平会议Transducers。同时，已申请国际专利一项，国内专利一项。