柔性/可拉伸超级电容器由于具备尺寸小、结构多变、安全性高以及舒适度好等优点,成为可穿戴电子设备中供电单元的热门候选者之一。与传统电容器、锂离子等相比,超级电容器可以提供更高的功率密度,更快的充电速度以及更长的使用周期,这些参数对于可穿戴电子的进一步优化与发展至关重要。从超级电容器的组成成分来看,柔性、可拉伸、自愈衬底,不同类型的电极材料,电解质以及电极结构在近十年来都得到了迅猛的发展。站在器件维度的角度来看,一维线状电容器和二维平面电容器在可穿戴电子的应用中发挥的作用更为明显。其中,一维线状电容器或自驱动集成线状器件可以编织成各种形状的织物,这种智能衣服可以直接穿着并且呼吸自如;二维芯片式的电容器具有超薄、超轻的优点,极易集成于各种微型电子器件上,从而满足未来对于微型能源的需求。

面向应用于高性能可穿戴电子的柔性供电单元,中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室沈国震课题组近年来在可柔性/可拉伸超级电容器领域取得了一系列研究进展,设计并研制了多种结构柔性/可拉伸超级电容器(Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1600282.; Adv. Mater. Technol., 2016, 1, 1600142.; Nano Res., 2016, 9, 424.; Nanoscale, 2016, 8, 14986.; Nano Energy, 2015, 13, 131.; Nano Res., 2015, 8, 3544.; Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 1849.; Adv. Mater., 2014, 26, 4999.)。近日,应Wiley综合性学术期刊Small的邀请,该课题组撰写了综述性论文,系统地总结了近年来柔性超级电容器领域所取得的重大突破和进展,并对该领域未来的研究方向进行了预测与分析。文章开篇以时间轴的方式展现了一维和二维柔性超级电容器从柔性-可拉伸-自愈-多功能集成的发展历程和未来趋势。在第二部分,作者从柔性/可拉伸/自修复基底,固态电解质和电极材料三个方向展开介绍了电容器的最新进展和改进方式,并且总结了一维/二维超级电容器器件设计中常用的电极结构,列举了一些制备柔性/可拉伸器件的制备方法与工艺。第三部分先介绍了超级电容器的封装方法,然后从实际应用和和大规模生产的角度出发,对由电容器驱动的不同类型的可穿戴传感(气体,压力,触觉...)系统与集能量收集-存储-功能单元于一体的集成系统进行了总结。最后作者还对超级电容器在未来可穿戴电子设备中的应用方式和亟待解决的问题阐述了自己的意见。

该项工作得到了国家杰出青年科学基金、北京市自然科学基金以及中国科学院前沿科学重点研究项目等项目的支持。研究成果近期发表在SmallDOI: 10.1002/smll.201702829)期刊上。