可穿戴系統(tǒng)和智能紡織品因在健康監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理、工作安全、家庭能源管理和自我健康管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力而受到廣泛關(guān)注。并且，隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，這種智能紡織品還可能將人類生活提升至新的水平。其中，柔性儲(chǔ)能器件更是為可穿戴設(shè)備提供有力能源供給，從而推動(dòng)可穿戴系統(tǒng)的發(fā)展。然而，與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備一樣，目前大多數(shù)柔性儲(chǔ)能（如電池和超級(jí)電容器）設(shè)備也使用了有毒的電解液，在可穿戴設(shè)備使用時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，限制了其應(yīng)用發(fā)展。
汗液中含有大量正負(fù)離子（如K+、 Na+和Cl-），可通過電極表面離子的吸收和擴(kuò)散作用而參與到電化學(xué)反應(yīng)中，因此被應(yīng)用于生物燃料電池以及疾病監(jiān)測(cè)的生物傳感器等領(lǐng)域。而這種離子反應(yīng)在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用潛力，使得汗液有望作為一種無毒、環(huán)保的電解液應(yīng)用于可穿戴儲(chǔ)能設(shè)備中。
基于此，英國格拉斯哥大學(xué)Ravinder Dahiya教授課題組采用聚酯纖維素織物作為基底和隔膜材料，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)作為活性電極，制備了以汗液為電解液的織物基柔性超級(jí)電容器（SCs）。纖維素織物的高吸收率使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)汗液的快速吸收。PEDOT:PSS活性材料同時(shí)具有電子導(dǎo)電與離子導(dǎo)電性、與織物的良好結(jié)合性能、易于低溫制備以及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，使其作為柔性SCs的電極具有極大的應(yīng)用潛力。結(jié)果顯示，該工作中制備的織物基SCs具有優(yōu)異的性能。并且將該電容器與汗液鹽度檢測(cè)的傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種自供電可穿戴系統(tǒng)的構(gòu)建。該方法對(duì)生物流體的利用，為開發(fā)新型可穿戴設(shè)備提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路，有望推動(dòng)可穿戴電子領(lǐng)域發(fā)展。
該工作以題目為“A Wearable Supercapacitor Based on Conductive PEDOT:PSS-Coated Cloth and a Sweat Electrolyte”發(fā)表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2020, 1907254)上。
【圖文詳解】
本工作中基于PEDOT:PSS織物電極以及汗液電解液的可穿戴超級(jí)電容器（SCs）的結(jié)構(gòu)示意圖及機(jī)制分析如圖1所示。帶電的PEDOT:PSS與纖維素/聚酯織物上羥基之間的強(qiáng)靜電和氫鍵相互作用使得兩者穩(wěn)定粘附。并且由于織物內(nèi)天然纖維素的存在，為PEDOT:PSS電極提供了良好的潤濕能力，有利于低量汗液電解液的浸潤。這些特性使得SCs的電化學(xué)性能顯著提高。此外，PEDOT:PSS共軛高分子膜的氧化還原反應(yīng)和電極與電解液界面形成的高電化學(xué)雙電層電容進(jìn)一步促進(jìn)SCs性能的提高。
PEDOT:PSS織物電極的具體制備過程如圖2a所示，由于織物表面是凹凸不平的，該過程主要通過滴涂法完成。從掃面電鏡圖中我們看到整個(gè)織物表面PEDOT:PSS雖是不均勻分布，但放大圖中纖維由PEDOT:PSS完全包覆，證明導(dǎo)電織物的成功制備。為了進(jìn)一步提高織物電極的導(dǎo)電性，作者采用DMSO對(duì)PEDOT:PSS進(jìn)行摻雜，從而更有利于提高SCs的性能。
超級(jí)電容器的電化學(xué)性能主要通過電化學(xué)阻抗譜(EIS)以及循環(huán)伏安法（CV）分析（圖3）。電化學(xué)阻抗譜結(jié)果細(xì)致分析了包括離子交換、電荷轉(zhuǎn)移、等效串聯(lián)電阻(ESR)和電容等性能。低頻區(qū)域直線表示離子擴(kuò)散較慢，屬于電極的電容行為。
較低的阻抗值表示汗液中離子在PEDOT: PSS電極上良好的擴(kuò)散行為，這與織物電極的多孔性也密切相關(guān)。EIS圖中高頻區(qū)域沒有半圓或電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)值較小，也表明電極在與汗液電解質(zhì)反應(yīng)時(shí)具有較高的電導(dǎo)率。
并且由于共軛聚合物中的氧化還原反應(yīng)和電極的高電導(dǎo)率，在PEDOT:PSS電極表面形成了贗電容和電化學(xué)雙電層，有效提高SCs性能。循環(huán)伏安法中高掃速下CV曲線呈現(xiàn)良好的矩形，表明該器件具有高功率密度的快速充放電特性。除了電容值外，器件的最大儲(chǔ)能也取決于工作電位窗口，因此作者也對(duì)電位窗口進(jìn)行了優(yōu)化。通過相關(guān)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該SCs表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括高的比電容以及較高的功率密度，并且器件具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。
為了探索該器件的實(shí)際應(yīng)用潛力，作者通過將器件集成到衣物上，分別測(cè)試了在不同出汗和運(yùn)動(dòng)條件下的兩個(gè)人衣物上SCs的性能（圖4）。第一個(gè)人是在公園跑步，由于人體出汗相對(duì)較少，只能部分浸濕器件，因此SCs性能相較于第二個(gè)人（室內(nèi)跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)，汗液完全浸潤器件）差很多，表明該器件受汗液浸潤性影響較大。結(jié)果顯示，器件在汗液完全浸潤條件下測(cè)試性能較好，說明其確實(shí)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此，在實(shí)際應(yīng)用器件時(shí)，作者會(huì)將器件集成到吸水性更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)帶上，提高汗液對(duì)器件的浸潤性，從而獲得穩(wěn)定的性能輸出。
該工作中提出的汗液為電解液、PEDOT:PSS織物電極基SCs與已發(fā)表相關(guān)工作相比具有優(yōu)異的性能（圖5a），并且在排汗極低的情況下也具有不錯(cuò)的性能，說明其具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而為了進(jìn)一步展示該器件的應(yīng)用潛力，作者將該SCs與織物基汗液鹽度分析傳感器結(jié)合，SCs作為能源器件為傳感器供能。進(jìn)一步地，再結(jié)合太陽能電池為SCs循環(huán)充電，從而構(gòu)建一個(gè)自供電可穿戴系統(tǒng)（圖5c），可用于汗液分析，實(shí)現(xiàn)人體健康監(jiān)測(cè)。
【總結(jié)】
總的來說，本工作提出的利用生物流體（汗液）作為無毒、環(huán)保的電解液構(gòu)筑可穿戴超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)概念符合可穿戴儲(chǔ)能器件安全、可持續(xù)的制備需求，為新型可穿戴器件設(shè)計(jì)提供一種新思路。同時(shí)，基于汗液的能源器件與傳感器件的集成也使其在健康相關(guān)的可穿戴系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
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