【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在可穿戴設(shè)備、電子皮膚和軟體機(jī)器人迅猛發(fā)展的今天，為其尋找同樣柔軟、可拉伸且高效穩(wěn)定的“心臟”——儲(chǔ)能器件，已成為前沿科研的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院文莉副教授課題組在這一領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們創(chuàng)新性地提出了一種電化學(xué)一體式驅(qū)動(dòng)圖案化方法，成功制備出基于液態(tài)金屬與MXene水凝膠的高性能可拉伸微超級(jí)電容器(MSC)，為下一代柔性電子設(shè)備的供能難題提供了極具前景的解決方案。該成果以“Electrochemical integrated driven patterning of liquid metal/MXene hydrogel electrodes for stretchable microsupercapacitors”為題，發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Energy Storage Materials》。
傳統(tǒng)電池等剛性儲(chǔ)能元件難以適應(yīng)可穿戴設(shè)備隨人體活動(dòng)而產(chǎn)生的形變(如皮膚約30%的應(yīng)變)，這嚴(yán)重制約了柔性電子的發(fā)展。微型超級(jí)電容器因其高功率密度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被視為理想的替代者，但如何在保持高儲(chǔ)能性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的可拉伸性，一直是難以逾越的技術(shù)瓶頸。
面對(duì)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了兩種明星材料：液態(tài)金屬(如共晶鎵銦合金EGaIn)和MXene水凝膠。液態(tài)金屬具有卓越的導(dǎo)電性和近乎液體的形變能力，是構(gòu)建可變形電極的理想骨架；而MXene(如Ti3C2Tx)作為一種新興二維材料，以其高導(dǎo)電性、超大比表面積和高體積電容著稱，其形成的水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)能進(jìn)一步提升儲(chǔ)能性能并賦予材料一定的柔性。然而，將兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合卻面臨核心難題：液態(tài)金屬的高表面張力和MXene水凝膠的高含水量，使得將它們精確“雕刻”成復(fù)雜的微型叉指電極圖案并實(shí)現(xiàn)無縫集成異常困難。
正是針對(duì)這一核心難題，文莉副教授課題組提出了巧妙的電化學(xué)一體化驅(qū)動(dòng)策略。該策略如同一位微觀世界的“建筑師”，通過自下而上的電化學(xué)過程，在同一工序內(nèi)驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬和MXene材料，讓它們按照預(yù)設(shè)圖案自動(dòng)、精準(zhǔn)地組裝并緊密結(jié)合，最終形成無縫集成的液態(tài)金屬/MXene水凝膠復(fù)合叉指電極。這種方法繞開了傳統(tǒng)微加工技術(shù)的局限，實(shí)現(xiàn)了材料與圖案化工藝的和諧統(tǒng)一。
基于此策略制備的可拉伸微超級(jí)電容器展現(xiàn)出了卓越的性能：其能量密度高達(dá)11.01 µWh cm?²，同時(shí)能夠承受最大180% 的拉伸應(yīng)變。這意味著該器件在比自身原長(zhǎng)拉伸近兩倍后，仍能保持穩(wěn)定的儲(chǔ)能功能，充分滿足了高度變形場(chǎng)景的應(yīng)用需求。
這項(xiàng)工作的意義深遠(yuǎn)。它不僅為制備高性能、完全柔軟可拉伸的微型超級(jí)電容器開辟了一條實(shí)用、低成本且工藝簡(jiǎn)單的新途徑，更重要的是，這種一體化的驅(qū)動(dòng)和集成思路，為未來設(shè)計(jì)制造各類高性能、高可靠性的柔性可拉伸電子設(shè)備提供了嶄新的靈感與堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
該研究成果由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生楊俊峰和碩士生邱自強(qiáng)作為共同第一作者完成，文莉副教授為通訊作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助，相關(guān)實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科大工程與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、理化實(shí)驗(yàn)中心完成。
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